Pin lượng tử là gì? Và khi nào nó sẽ cấp nguồn cho máy tính xách tay của tôi?

Pin hiện đại đã đi được một chặng đường dài trong lịch sử 224 năm của nó. Thay cho đống đĩa kim loại và vải ngâm nước muối của Alessandro Volta, giờ đây chúng ta có pin có kích thước bằng một chiếc bánh quy graham có thể hoạt động nhiều ngày trước khi cần sạc lại.

Nhưng mức trần của các thiết bị hiện có trên thị trường là bao nhiêu? Những thách thức kỹ thuật nào cần phải vượt qua để phá vỡ mức trần đó và khi nào những rào cản đó sẽ được xóa bỏ? Tương lai của việc lưu trữ năng lượng là gì?

Một số nhà khoa học trên khắp thế giới đang nghiên cứu câu trả lời: một công nghệ pin sử dụng các định luật vật lý lượng tử, thay vì vật lý cổ điển, để tích điện. Đó là một chặng đường dài, rất dài, nhưng Rome không được xây dựng trong một ngày và chắc chắn nó không được cung cấp năng lượng trong một ngày.

Pin cơ bản, được yêu thích

Pin là một phần công nghệ sử dụng các phản ứng hóa học để tạo ra năng lượng điện. Pin gia dụng tạo ra năng lượng điện thông qua dòng điện tử chạy qua một mạch điện. Các loại pin khác nhau đã được phát triển qua nhiều thế kỷ; Benjamin Franklin được cho là đã đặt ra thuật ngữ “pin điện” trong một lá thư năm 1749 , mà ông kết luận bằng một câu nói thú vị về những điều kỳ diệu của điện:

Một người Thổ Nhĩ Kỳ sẽ bị điện giật giết chết trong bữa tối của chúng ta; và được nướng bằng Jack điện, trước khi Ngọn lửa được thắp lên bởi Chai Điện khí hóa; khi Sức khỏe của tất cả các Thợ điện nổi tiếng ở Anh, Pháp và Đức, sẽ được uống trong Bộ giảm xóc điện khí hóa, dưới sự phóng điện của súng từ pin điện.

Chuyển nhanh qua một số loại pin khác nhau, hầu hết được đặt theo tên của các nhà khoa học đã phát triển chúng bằng cách sử dụng phản ứng hóa học của nhiều loại axit và kim loại khác nhau, và vào năm 1859, chúng tôi đã có được pin axit-chì—loại pin đầu tiên có khả năng sạc lại bằng cách đảo ngược dòng điện qua hệ thống . Vào cuối thế kỷ 20, pin lithium-ion trở nên thịnh hành và về cơ bản vẫn phổ biến kể từ đó, sử dụng các hoán vị khác nhau của lithium kết hợp với các kim loại và phốt phát khác. Nhưng trong suốt lịch sử của pin hiện đại, nguyên lý cơ bản của phản ứng hóa học tạo ra năng lượng điện vẫn không thay đổi.

Được rồi, quên pin đi. 'Lượng tử' là cái quái gì vậy?

Chúng ta hãy nhanh chóng xem xét vật lý lượng tử một cách khái quát. Các hạt ở trạng thái lượng tử hoạt động theo một bộ quy tắc hoàn toàn khác với mọi thứ bạn nhìn thấy xung quanh mình, từ nước trong mây đến các mạch máu chảy trong huyết quản của bạn. Các hạt đi vào trạng thái lượng tử trong những điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ rất lạnh và trong chân không. Trong những điều kiện này, các hạt có thể hoạt động giống như nhiều thứ cùng một lúc, khiến chúng trở nên hữu ích khi thực hiện những việc như các phép toán phức tạp ( như máy tính lượng tử làm ) và kiểm tra xem liệu có thể du hành thời gian (theo một nghĩa nào đó) hay không.

Các hệ lượng tử cũng có thể biểu hiện sự vướng víu , một hiện tượng trong đó hai hoặc nhiều hạt lượng tử xác định các đặc tính của nhau. Trong máy tính lượng tử , các nguyên tử trong một mảng mang thông tin cần thiết cho hoạt động nhất định, giống như các bit trong máy tính thông thường. Những nguyên tử này là các bit lượng tử, hay qubit.

Nhưng các hoạt động lượng tử rất tinh tế. Thời điểm bất kỳ giá trị nào trong hệ lượng tử được đảm bảo chắc chắn, hoạt động sẽ sụp đổ. Toàn bộ hệ thống - ví dụ, các nguyên tử trong một mảng - sau đó trở lại trạng thái cổ điển.

Các trạng thái lượng tử có thể tồn tại trong một thời gian dài. Hãy lấy tinh thể thời gian, một trạng thái vật chất được đề xuất lần đầu tiên vào năm 2012 mà đầu năm nay các nhà vật lý cho thấy có thể tồn tại trong ít nhất 40 phút , lâu hơn khoảng 10 triệu lần so với các tinh thể khác đã biết. Những tinh thể này khác xa với pin lượng tử nhưng cho thấy mức độ hoạt động nhanh chóng của một số hệ thống lượng tử thông thường—một vấn đề quan trọng cần giải quyết nếu chúng ta định dựa vào các chế độ như vậy để lấy năng lượng.

Vậy làm thế nào để áp dụng các quy tắc cơ học lượng tử vào pin, công nghệ cho phép bạn tiếp tục đọc bài viết này và có thể nhiều hơn nữa sau khi bạn sạc lại?

Pin lượng tử, như tưởng tượng hiện nay

Giống như pin bình thường, pin lượng tử – như người ta tưởng tượng – lưu trữ năng lượng. Nhưng đó là nơi mà sự tương đồng kết thúc. Không giống như các phản ứng hóa học vừa sạc vừa tiêu hao năng lượng dự trữ của pin, pin lượng tử được cung cấp năng lượng bởi sự vướng víu lượng tử hoặc các hành vi liên kết chặt chẽ hơn giữa pin và nguồn của nó.

Ju-Yeon Gyhm, nhà nghiên cứu lượng tử tại Đại học Quốc gia Seoul ở Hàn Quốc, cho biết trong email gửi Gizmodo: “Pin lượng tử bao gồm nhiều tế bào lượng tử hoạt động giống như một cục pin lượng tử lớn”. “Thách thức là làm thế nào để duy trì các đặc tính lượng tử trong thời gian dài”.

Vì các đặc tính tương tự áp dụng cho pin lượng tử như máy tính lượng tử, nên cần phải làm rõ một thách thức kỹ thuật lớn để thấy công nghệ này trở thành hiện thực bên ngoài môi trường nghiên cứu: Các nhà vật lý phải tìm ra cách giữ cho các hệ lượng tử ở trạng thái mong manh bên ngoài môi trường được quản lý cẩn thận nhất. cài đặt nghiên cứu. Một chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng sẽ là một chén thánh như vậy, nhưng ngày nay, những người duy nhất tuyên bố một khám phá như vậy đã công bố công trình của họ bị vạch trần trong vòng vài tháng .

“Nhiệt động lực học ở trạng thái cân bằng không đặt ra giới hạn về tốc độ chuyển hóa năng lượng thành nhiệt và hoạt động,” một nhóm gồm năm nhà khoa học đã viết trong một hội thảo gần đây về pin lượng tử, hiện được lưu trữ trên máy chủ in sẵn arXiv. “Do đó, việc tìm kiếm những lợi thế lượng tử nhiệt động lực học trong các hệ lượng tử bị đẩy ra khỏi trạng thái cân bằng dường như là điều tự nhiên”.

Nhóm tiếp tục lưu ý rằng sự vướng víu lượng tử có liên quan đến tốc độ lưu trữ năng lượng trong các hệ lượng tử nhiều vật thể, một khám phá đã thúc đẩy nghiên cứu về các hệ lượng tử như các thiết bị lưu trữ năng lượng.

Vào năm 2018, một nhóm đã mô hình hóa pin lượng tử Dicke, pin đầu tiên được đề xuất tồn tại ở dạng kiến ​​trúc trạng thái rắn và vào năm 2022 , một nhóm đã thử nghiệm khung cơ bản cho pin lượng tử trong môi trường phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng mục tiêu, gương và tia laser. ánh sáng.

Các thí nghiệm gần đây đang giải quyết vấn đề

Cuối năm ngoái, một nhóm các nhà nghiên cứu lượng tử đã đề xuất một hệ thống trong đó pin lượng tử có thể sạc theo thứ tự nhân quả không xác định, hay còn gọi là ICO. Phát hiện của họ— được công bố trên tạp chí Physical Review Letters —cho rằng hệ thống tính phí với ICO có thể hoạt động tốt hơn các giao thức tính phí thông thường.

Yuanbo Chen, nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Nói một cách đại khái, ICO có thể được sử dụng để xây dựng các quá trình lượng tử không thể thực hiện được trong lý thuyết lượng tử tiêu chuẩn, trong đó trật tự nhân quả phải được xác định hoặc cố định”. , trong một email gửi tới Gizmodo. “Tính linh hoạt này cho phép thực hiện nhiều quá trình lượng tử hơn, một số trong đó có thể thể hiện những đặc tính có lợi và thú vị.”

“Chúng tôi nhận thấy những lợi ích to lớn cả về năng lượng được lưu trữ trong hệ thống lẫn hiệu suất nhiệt. Và hơi phản trực giác, chúng tôi đã phát hiện ra tác động đáng ngạc nhiên của sự tương tác ngược lại với những gì bạn có thể mong đợi: Bộ sạc có công suất thấp hơn có thể cung cấp năng lượng cao hơn với hiệu suất cao hơn so với bộ sạc có công suất cao hơn tương đương sử dụng cùng một thiết bị,” Chen nói tại buổi họp báo. thời gian .

Các thiết lập thử nghiệm khác nhau của hệ thống pin lượng tử—cả được đề xuất và hiện thực hóa—có nghĩa là có những con đường khác nhau để đổi mới thiết kế của một công nghệ tương lai như vậy. Tháng trước, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Gdansk và Đại học Calgary đã đề xuất một hệ thống sạc pin lượng tử giúp tối đa hóa lượng năng lượng lưu trữ trong pin đồng thời giảm thiểu lượng năng lượng tiêu tán (hoặc bị mất) trong quá trình sạc. Một phần trong thiết kế lại của nhóm là pin lượng tử và bộ sạc của nó được ghép vào cùng một bình chứa, tạo ra mô hình giống như giao thoa giúp cải thiện hiệu suất truyền năng lượng giữa hai bên. Nhóm nghiên cứu ước tính rằng pin có thể lưu trữ năng lượng gấp bốn lần thông qua quy trình sạc mới so với sử dụng bộ sạc thông thường.

James Quach, nhà nghiên cứu lượng tử tại Đại học Adelaide ở Australia, cho biết: “Pin lượng tử hoạt động giống như một làn sóng trong đó các phân tử hoặc nguyên tử hoạt động đồng loạt, trong khi ở pin thông thường, các phân tử hoặc nguyên tử hoạt động giống như các hạt riêng lẻ hơn”. tới Gizmodo. “Hành vi tập thể này là nền tảng cho đặc tính sạc siêu rộng của pin lượng tử, trong đó sẽ mất ít thời gian hơn để sạc pin lượng tử có dung lượng lớn hơn”.

Vào năm 2022 , một nhóm do Quach dẫn đầu đã thử nghiệm khung cơ bản của pin lượng tử bằng cách đặt thuốc nhuộm phân tử có tên là màu cam Lumogen-F vào một khoang nhỏ và chiếu ánh sáng vào nó để xem nó lưu trữ năng lượng truyền qua các photon ánh sáng như thế nào. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng hệ thống được sạc rất nhanh và các hệ thống lớn hơn thường phải sạc nhanh hơn.

Quách cho biết: “Hiện tại phải mất từ ​​femto đến pico giây để sạc một cục pin lượng tử có khả năng lưu trữ khoảng một microjoule năng lượng trong khoảng từ nano đến mili giây”. “Mặc dù điều này nghe có vẻ không lâu nhưng thời gian lưu trữ của nó thực sự dài hơn thời gian sạc hơn hàng triệu lần. Để so sánh, điều này sẽ tương đương với một loại pin thông thường chỉ mất vài phút để sạc và có thể duy trì lượng điện tích đó trong hàng trăm năm.”

Theo báo cáo của New Scientist , một số nhà vật lý đưa ra giả thuyết rằng thời gian sạc của pin lượng tử tỷ lệ nghịch với số lượng qubit trong hệ thống; nói cách khác, pin càng lớn thì sạc càng nhanh.

Vậy...khi nào tôi có thể nhận được pin lượng tử?

Nghiên cứu về pin lượng tử đang thu hút được nhiều sự chú ý nhưng nó vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Mặc dù lời hứa của họ rất đáng chú ý nhưng thiết kế cuối cùng của công nghệ này sẽ là gì vẫn là một câu hỏi bỏ ngỏ. Thương mại hóa? Đó chỉ là ánh mắt lấp lánh trong mắt nhà vật lý có đầu óc kinh doanh nhất hiện nay.

Vấn đề chính vẫn là làm cho các hệ thống lượng tử ở trạng thái lượng tử khi chúng mở rộng quy mô. Quách tin rằng pin lượng tử có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng di động trong điện thoại và ô tô, nhưng nhiều hệ thống lượng tử hiện cần điều kiện rất lạnh, không ồn ào để duy trì hoạt động như vậy (ngoài ra, thiết lập thử nghiệm năm 2022 của Quach hoạt động ở nhiệt độ phòng). Không phải để làm bạn mất tinh thần, bạn đọc thân mến, nhưng phản ứng tổng hợp hạt nhân có lẽ gần với thực tế hơn pin lượng tử trong các thiết bị của chúng ta.

Mặc dù nhiều phóng viên hoài nghi không muốn thừa nhận điều đó, nhưng tôi vẫn muốn nuốt lời. Điều duy nhất tốt hơn việc đúng là tìm cho thế giới một nơi tốt đẹp hơn với cái giá phải trả là sai lầm. Pin lượng tử có thể sạc nhanh hơn và hiệu quả hơn các thiết bị cổ điển và có thể tích hợp với các công nghệ lượng tử mới phát triển được sử dụng cho các mô phỏng và đo lường cao cấp. Pin lượng tử hoạt động đầy đủ vẫn chưa được chứng minh, nhưng theo hội thảo gần đây, công nghệ như vậy có thể cách mạng hóa cách chúng ta thu hoạch, cung cấp và kiểm soát năng lượng. Với sự phụ thuộc rõ ràng của nhân loại vào điện , việc lưu trữ năng lượng có thể tạo ra một bước nhảy vọt về lượng tử.

Xem thêm:  Các nhà vật lý có được một máy tính lượng tử để hoạt động bằng cách cho nó hoạt động với dãy Fibonacci