O que é uma bateria quântica? E quando isso alimentará meu laptop?

A bateria moderna percorreu um longo caminho em seus 224 anos de história. No lugar das pilhas de discos de metal e panos encharcados de salmoura de Alessandro Volta, agora temos baterias do tamanho de um biscoito que podem durar dias antes de precisar ser recarregada.

Mas qual é o teto dos aparelhos atualmente no mercado? Que tipo de desafios técnicos devem ser superados para ultrapassar esse limite e quando esses obstáculos serão superados? Qual é o futuro do armazenamento de energia?

Alguns cientistas de todo o mundo estão a trabalhar numa resposta: uma tecnologia de bateria que utilize as leis da física quântica, em vez da física clássica, para manter a carga. É um caminho muito, muito longo, mas Roma não foi construída num dia – e certamente não foi construída num dia.

A bateria básica e amada

Uma bateria é uma peça de tecnologia que utiliza reações químicas para produzir energia elétrica. As baterias domésticas produzem energia elétrica através do fluxo de elétrons através de um circuito. Diferentes células de bateria foram desenvolvidas ao longo dos séculos; Considera-se que Benjamin Franklin cunhou o termo "bateria elétrica" ​​em uma carta de 1749 , que concluiu com um riff divertido sobre as maravilhas da eletricidade:

Um turco será morto durante nossos jantares pelo choque elétrico; e assado pelo Jack elétrico, diante de um Fogo aceso pela Garrafa Eletrificada; quando a saúde de todos os eletricistas famosos da Inglaterra, França e Alemanha for bebida em pára-choques eletrificados, sob a descarga de armas da bateria elétrica.

Avançando rapidamente por algumas células de bateria diferentes, a maioria nomeadas em homenagem aos cientistas que as desenvolveram usando reações químicas de vários ácidos e metais, e em 1859 obtivemos a bateria de chumbo-ácido - a primeira com capacidade de recarga invertendo a corrente através do sistema . No final do século 20, a bateria de íons de lítio entrou em voga e basicamente permaneceu popular desde então, usando diferentes permutações de lítio combinadas com outros metais e fosfatos. Mas ao longo da história da bateria moderna, o princípio básico de uma reação química que gera energia elétrica não mudou.

Ok, esqueça a bateria. O que diabos é 'quântico'?

Vamos revisar rapidamente a física quântica em traços gerais. As partículas em estados quânticos operam sob um conjunto de regras totalmente diferente de tudo o que você vê ao seu redor, desde a água nas nuvens até os vasos sanguíneos que correm em suas veias. As partículas entram em estados quânticos sob condições extremas: temperaturas muito baixas e no vácuo. Nessas condições, as partículas podem agir como várias coisas ao mesmo tempo, tornando-as úteis para fazer coisas como operações matemáticas complicadas ( como faz um computador quântico ) e verificar se a viagem no tempo (em certo sentido) é possível.

Os sistemas quânticos também podem apresentar emaranhamento , fenômeno pelo qual duas ou mais partículas quânticas definem as características uma da outra. Nos computadores quânticos , os átomos de uma matriz carregam as informações necessárias para uma determinada operação, como os bits fazem em um computador comum. Esses átomos são bits quânticos, ou qubits.

Mas as operações quânticas são delicadas. No momento em que qualquer valor em um sistema quântico é garantido, a operação desmorona. Todo o sistema – por exemplo, átomos em uma matriz – volta então ao estado clássico.

Os estados quânticos podem persistir por muito tempo. Tomemos como exemplo os cristais do tempo, um estado da matéria proposto pela primeira vez em 2012 e que no início deste ano os físicos mostraram que poderia persistir durante pelo menos 40 minutos , cerca de 10 milhões de vezes mais do que outros cristais conhecidos. Esses cristais estão muito longe das baterias quânticas, mas mostram como alguns sistemas quânticos normalmente são fugazes – uma questão importante a ser resolvida se algum dia dependermos de tais regimes para obter energia.

Então, como as regras da mecânica quântica se aplicam a uma bateria, a tecnologia que permite que você continue lendo este artigo e talvez mais depois, depois de recarregar?

Baterias quânticas, como se imagina atualmente

Como as baterias normais, as baterias quânticas – como são imaginadas – armazenam energia. Mas é aí que as semelhanças terminam. Ao contrário das reações químicas que carregam e gastam a energia armazenada de uma bateria, as baterias quânticas são alimentadas por emaranhados ou comportamentos quânticos que ligam mais estreitamente a bateria e sua fonte.

“As baterias quânticas são compostas de muitas células quânticas que agem como uma grande bateria quântica”, disse Ju-Yeon Gyhm, pesquisadora quântica da Universidade Nacional de Seul, na Coreia do Sul, em um e-mail ao Gizmodo. “O desafio é como manter as propriedades quânticas por muito tempo.”

Como as mesmas propriedades se aplicam às baterias quânticas e aos computadores quânticos, um grande desafio técnico deve ser superado para ver a tecnologia se tornar uma realidade fora dos ambientes de pesquisa: os físicos devem descobrir como manter os sistemas quânticos em seus estados delicados, fora dos ambientes mais cuidadosamente gerenciados. ambientes de pesquisa. Um supercondutor à temperatura ambiente seria um grande graal, mas hoje em dia as únicas pessoas que afirmam tal descoberta tiveram seu trabalho desmascarado em poucos meses .

“A termodinâmica em equilíbrio não estabelece limites sobre a rapidez com que a energia é transformada em calor e trabalho”, escreveu uma equipe de cinco cientistas em um recente colóquio sobre baterias quânticas, atualmente hospedado no servidor de pré-impressão arXiv. “Portanto, parece natural buscar vantagens quânticas termodinâmicas em sistemas quânticos que são desequilibrados.”

O grupo observou ainda que o emaranhado quântico está ligado à rapidez com que a energia pode ser armazenada em sistemas quânticos de muitos corpos, uma descoberta que levou à investigação de sistemas quânticos como dispositivos de armazenamento de energia.

Em 2018, uma equipe modelou a bateria quântica de Dicke, a primeira proposta para existir em uma arquitetura de estado sólido, e em 2022 , uma equipe testou uma estrutura básica para uma bateria quântica em um laboratório usando um alvo, espelhos e laser luz.

Experimentos recentes estão investigando o problema

No final do ano passado, uma equipe de pesquisadores quânticos propôs um sistema pelo qual as baterias quânticas poderiam ser carregadas em uma ordem causal indefinida, ou ICO. Suas descobertas – publicadas na Physical Review Letters – postularam que um sistema de cobrança com ICO poderia superar os protocolos de cobrança convencionais.

“Grosso modo, o ICO pode ser usado para construir processos quânticos que não são possíveis na teoria quântica padrão, onde a ordem causal deve ser definida ou fixa”, disse Yuanbo Chen, pesquisador da Universidade de Tóquio e principal autor da pesquisa. , em um e-mail para o Gizmodo. “Essa flexibilidade permite uma variedade maior de processos quânticos, alguns dos quais podem apresentar propriedades vantajosas e interessantes.”

“Observamos enormes ganhos tanto na energia armazenada no sistema quanto na eficiência térmica. E de forma um tanto contraintuitiva, descobrimos o efeito surpreendente de uma interação que é o inverso do que você poderia esperar: um carregador de menor potência poderia fornecer energias mais altas com maior eficiência do que um carregador de potência comparativamente maior usando o mesmo aparelho”, disse Chen no tempo .

Diferentes configurações experimentais de sistemas de baterias quânticas – propostas e realizadas – significam que existem diferentes caminhos para inovar no design de uma tecnologia tão futurista. No mês passado, uma equipe da Universidade de Gdansk e da Universidade de Calgary propôs um sistema quântico de carregamento de bateria que maximiza a quantidade de energia armazenada na bateria e minimiza a quantidade de energia que se dissipa (ou é perdida) no processo de carregamento. Parte do redesenho da equipe é que a bateria quântica e seu carregador são acoplados ao mesmo reservatório, produzindo um padrão semelhante a uma interferência que melhora a eficiência da transferência de energia entre os dois. A equipe estima que a bateria pode armazenar quatro vezes mais energia através do novo processo de carregamento do que usando um carregador convencional.

“As baterias quânticas agem mais como uma onda onde as moléculas ou átomos agem em uníssono, enquanto nas baterias convencionais as moléculas ou átomos agem mais como partículas individuais”, disse James Quach, pesquisador quântico da Universidade de Adelaide, na Austrália, por e-mail. para o Gizmodo. “Esse comportamento coletivo é o que sustenta as propriedades de carregamento superextensas das baterias quânticas, onde leva menos tempo para carregar baterias quânticas de maior capacidade.”

Em 2022 , uma equipe liderada por Quach testou uma estrutura básica de uma bateria quântica colocando um corante molecular chamado laranja Lumogen-F em uma pequena cavidade e pulsando luz para ver como ele armazenava a energia transmitida pelos fótons de luz. A equipe descobriu que o sistema carregava notavelmente rápido e que sistemas maiores geralmente deveriam carregar mais rápido.

“Atualmente, são necessários femto a picossegundos para carregar uma bateria quântica que armazena cerca de um microjoule de energia por nano a milissegundos”, disse Quach. “Embora não pareça muito tempo, o tempo de armazenamento é, na verdade, mais de um milhão de vezes maior do que o tempo de carregamento. Como comparação, isso seria equivalente a uma bateria convencional que leva minutos para carregar, sendo capaz de reter essa carga por centenas de anos.”

Conforme relatado pela New Scientist , alguns físicos teorizam que o tempo de carga de uma bateria quântica é inversamente proporcional ao número de qubits no sistema; em outras palavras, quanto maior a bateria, mais rápido ela carrega.

Então... quando posso conseguir uma bateria quântica?

A pesquisa sobre baterias quânticas está ganhando força, mas ainda está em sua infância. Embora a sua promessa seja notável, qual será o design final da tecnologia permanece uma questão em aberto. Comercialização? Isso é apenas um brilho nos olhos do físico mais empreendedor do momento.

A principal questão continua sendo fazer com que os sistemas quânticos permaneçam em um estado quântico quando forem ampliados. Quach acredita que as baterias quânticas poderiam ser usadas como fonte de energia móvel em telefones e carros, mas muitos sistemas quânticos atualmente precisam de condições muito frias e silenciosas para permanecerem assim (além disso, a configuração experimental de 2022 de Quach operava em temperatura ambiente). Não quero desmoralizá-lo, caro leitor, mas a fusão nuclear está provavelmente mais próxima da realidade do que as baterias quânticas em nossos dispositivos.

Embora muitos repórteres céticos detestem admitir isso, eu adoraria engolir minhas palavras. A única coisa melhor do que estar certo é encontrar um mundo melhor às custas de estar errado. As baterias quânticas poderiam carregar de forma mais rápida e eficiente do que os dispositivos clássicos e poderiam integrar-se com tecnologias quânticas emergentes que são usadas para simulações e medições elevadas. Uma bateria quântica totalmente operacional ainda não foi demonstrada, mas de acordo com o recente colóquio, tal tecnologia poderia revolucionar a forma como colhemos, fornecemos e controlamos energia. Dada a óbvia dependência da humanidade da eletricidade , o armazenamento de energia poderia dar um salto quântico.

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