Λειτουργική κβαντική μπαταρία: αυτό είναι το πρώτο πραγματικό πρωτότυπο

Φανταστείτε το κινητό σας τηλέφωνο να φορτίζει σχεδόν ακαριαία ή ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο να ανεφοδιάζεται σε λιγότερο χρόνο από ό,τι χρειάζεται για να γεμίσει ένα ρεζερβουάρ βενζίνης σήμερα. Ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία, αλλά μια ομάδα Αυστραλών επιστημόνων μόλις έκανε το πρώτο σοβαρό βήμα για να κάνει αυτό το σενάριο πραγματικότητα: κατασκεύασαν το η πρώτη λειτουργική κβαντική μπαταρία στον κόσμο, μια πραγματική συσκευή που φορτίζει, αποθηκεύει και εκφορτίζει ενέργεια εκμεταλλευόμενη τους κανόνες της κβαντομηχανικής αντί της κλασικής χημείας.

Αυτό το επίτευγμα δεν είναι απλώς ένα περίεργο πείραμα, αλλά μια απόδειξη της έννοιας που επικυρώνει μια ιδέα που κυκλοφορεί σε θεωρητικά άρθρα για πάνω από μια δεκαετία: ότι μια κβαντική μπαταρία μπορεί όσο μεγαλύτερο είναι, τόσο πιο γρήγορα φορτίζειΑυτό είναι ακριβώς το αντίθετο από αυτό που συμβαίνει με τις τρέχουσες μπαταρίες, όπου μεγαλύτερη χωρητικότητα σημαίνει μεγαλύτερους χρόνους αναμονής. Παρόλο που εξακολουθούμε να εξετάζουμε ένα εργαστηριακό πρωτότυπο με μικροσκοπικές χωρητικότητες και πολύ σύντομους χρόνους διατήρησης, η πρόοδος ανοίγει ένα νέο πεδίο για την... εξαιρετικά γρήγορη ασύρματη αποθήκευση ενέργειας και, πάνω απ' όλα, για την αποτελεσματική τροφοδοσία κβαντικών υπολογιστών.

Σχετικό άρθρο:

Η κβαντική υπολογιστική είναι προ των πυλών και δείτε πώς μπορεί να αλλάξει τη ζωή σας για πάντα.

Τι είναι μια κβαντική μπαταρία και πώς διαφέρει από μια κανονική μπαταρία;

Μια συμβατική μπαταρία, όπως η μπαταρία ιόντων λιθίου στο τηλέφωνό σας ή στο ηλεκτρικό σας αυτοκίνητο, βασίζεται σε ηλεκτροχημικές αντιδράσειςΤα ιόντα κινούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων μέσω ενός ηλεκτρολύτη, συσσωρεύοντας ή απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος. Πρόκειται για μια τεχνολογία υψηλής βελτιστοποίησης, αλλά η απόδοσή της περιορίζεται από τη χημεία και από φαινόμενα όπως η εσωτερική αντίσταση ή η παραγωγή θερμότητας καθώς αυξάνεται το μέγεθος.

Η κβαντική μπαταρία υιοθετεί μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση: δεν βασίζεται σε χημικές διεργασίες, αλλά σε κβαντικές ιδιότητες της ύλης όπως η υπέρθεση, η εμπλοκή και η συλλογική απόκριση πολλών μορίων που διεγείρονται ταυτόχρονα. Αντί για ανεξάρτητα ηλεκτροχημικά στοιχεία, το σύστημα λειτουργεί ως ένα σύνολο μονάδων αποθήκευσης που δρουν με συντονισμένο τρόπο, ανταλλάσσοντας ενέργεια με το φως συλλογικά και όχι ένα προς ένα.

Στο αυστραλιανό πρωτότυπο, η καρδιά της συσκευής είναι ένα πολυστρωματική οργανική μικροκοιλότηταΕίναι μια μικροσκοπική δομή φτιαγμένη από πολλά στρώματα στοιβαγμένων οργανικών υλικών που σχηματίζουν κάτι σαν «σάντουιτς» σε νανοκλίμακα. Ανάμεσα σε αυτά τα στρώματα υπάρχουν περιορισμένα εξιτόνια (οιονεί σωματίδια που περιγράφουν διεγερμένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) τα οποία είναι υπεύθυνα για τη σύλληψη και αποθήκευση της ενέργειας που φτάνει με τη μορφή φωτός.

Όταν αυτή η μικροκοιλότητα φωτίζεται με ένα ειδικά ρυθμισμένο λέιζερ, τα μόρια δεν απορροφούν ενέργεια μεμονωμένα όπως σε ένα κλασικό ηλιακό πάνελ, αλλά αντίθετα εισέρχονται σε μια συλλογική κατάσταση στην οποία Όλα συνεργάζονται στην απορρόφηση των φωτονίωνΑυτή η συνδυασμένη συμπεριφορά, που περιγράφεται τεχνικά από την κβαντική θεωρία πεδίου στις οπτικές κοιλότητες, είναι αυτό που καθιστά αυτή τη συσκευή μια πραγματική κβαντική μπαταρία.

Το αξιοσημείωτο είναι ότι οι ερευνητές δεν σταμάτησαν να αποδεικνύουν ότι μπορούσαν να διεγείρουν το σύστημα: κατάφεραν να ολοκληρώσουν έναν πλήρη κύκλο μπαταρίας. Με άλλα λόγια, πέτυχαν φόρτιση, διατήρηση και εξαγωγή ενέργειας με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος σε θερμοκρασία δωματίου, κάτι που καμία άλλη προσέγγιση κβαντικής μπαταρίας δεν είχε επιτύχει μέχρι τώρα με όλα τα στάδια σαφώς καθορισμένα.

Ποιος κρύβεται πίσω από το πρώτο λειτουργικό πρωτότυπο κβαντικής μπαταρίας;

Η σημαντική ανακάλυψη είναι έργο μιας κοινοπραξίας που σχηματίστηκε από την εθνική επιστημονική υπηρεσία της Αυστραλίας, το CSIRO, το Πανεπιστήμιο RMIT και το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης. Το έργο διευθύνεται από Τζέιμς Κουάτς, ένας ερευνητής του CSIRO που ειδικεύεται στις κβαντικές τεχνολογίες, ο οποίος έχει αφιερώσει χρόνια στην ιδέα της μετατροπής θεωρητικών προβλέψεων για τις κβαντικές μπαταρίες σε μια απτή εργαστηριακή συσκευή.

Το 2018, ο Quach και οι συνεργάτες του άρχισαν να εξερευνούν σχέδια που βασίζονται σε οργανικές μικροκοιλότητες και το 2022 ανακοίνωσαν ένα πρώτο μερικό πρωτότυπο ικανό να αποδείξει πειραματικά ότι, με μεγαλύτερο μέγεθος συστήματος, η ταχύτητα φόρτισης αυξανόταν, ακριβώς όπως έδειχναν οι εξισώσεις. Αυτή η έκδοση, ωστόσο, υπέφερε από ένα βασικό ελάττωμα: μπορούσε να φορτιστεί, αλλά δεν υπήρχε σαφής και αποτελεσματικός τρόπος ανάκτησης της αποθηκευμένης ενέργειας.

Στη νέα εργασία, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Φως: Επιστήμη & Εφαρμογές Από την ομάδα Nature (DOI 10.1038/s41377-026-02240-6), η ομάδα έλυσε αυτό το πρόβλημα προσθέτοντας επιπλέον στρώματα στη συσκευή που λειτουργούν ως διεπαφή μεταξύ της ενέργειας που περιορίζεται στην κοιλότητα και ενός εξωτερικού κυκλώματος. Αυτά τα στρώματα μετατρέπουν την ενέργεια που παγιδεύεται στη μικροκοιλότητα σε... χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα, κλείνοντας για πρώτη φορά τον κύκλο λειτουργίας μιας κβαντικής μπαταρίας.

Στο έργο έχουν συμμετάσχει προσωπικότητες όπως ο James Hutchison και ο Trevor Smith, από το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, υπεύθυνοι για τα πειράματα. υπερταχεία φασματοσκοπία Αυτά τα όργανα επιτρέπουν στους ερευνητές να παρατηρούν τη δυναμική του συστήματος σε χρονικές κλίμακες φεμτοδευτερολέπτων και νανοδευτερολέπτων. Ερευνητές από το RMIT, όπως ο Daniel Tibben, έχουν συμβάλει στο σχεδιασμό και τον χαρακτηρισμό της συσκευής, ενώ μέλη του CSIRO, όπως ο Kieran Hymas, έχουν παράσχει υποστήριξη στις πτυχές της μηχανικής και του πειραματισμού.

Η δημοσίευση σε ένα επιστημονικό περιοδικό με μεγάλη απήχηση και η συνεργασία μεταξύ αρκετών καταξιωμένων ιδρυμάτων προσδίδουν σημαντικό επιστημονικό βάρος στο εύρημα. Δεν πρόκειται για μεμονωμένη ή ανεπίσημη μελέτη, αλλά μάλλον για ένα ακόμη κομμάτι ενός ευρύτερου ερευνητικού σώματος. συνεχής ερευνητική γραμμή σε κβαντικές μπαταρίες που έχει εξελιχθεί από τη θεωρία στο υλικό σε λίγο περισσότερο από μια δεκαετία.

Πώς λειτουργεί η κβαντική μπαταρία: από το λέιζερ στο ηλεκτρικό ρεύμα

Ο μηχανισμός λειτουργίας του πρωτοτύπου μπορεί να συνοψιστεί σε τρία στάδια: φόρτιση, αποθήκευση και εκφόρτιση. Κάθε στάδιο βασίζεται σε φυσικά φαινόμενα πολύ διαφορετικά από αυτά μιας συμβατικής χημικής μπαταρίας, αν και το συνολικό αποτέλεσμα - η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας κατ' απαίτηση - είναι εννοιολογικά παρόμοιο. Η λεπτομέρεια του πώς όλα συνδυάζονται είναι αυτό που το καθιστά πραγματικά συναρπαστικό.

La φάση φόρτισης Ξεκινά όταν ένας παλμός λέιζερ φωτίζει την οργανική μικροκοιλότητα. Αυτό το λέιζερ συντονίζεται προσεκτικά σε συχνότητα και ένταση για να διεγείρει τις συλλογικές καταστάσεις των μορίων της συσκευής. Η διάρκεια του παλμού είναι εξαιρετικά σύντομη: μιλάμε για φεμτοδευτερόλεπτα, δηλαδή ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (10⁻¹⁵ s), χρόνοι τόσο σύντομοι που είναι προσβάσιμοι μόνο με εργαλεία εξαιρετικά γρήγορης φασματοσκοπίας.

Κατά τη διάρκεια αυτής της προσωρινής ανοιγοκλεισίματος των ματιών, τα μόρια που σχηματίζουν την κοιλότητα εισέρχονται σε ένα καθεστώς συνεργατική υπεραπορρόφησηΑντί να απορροφούν φωτόνια ένα προς ένα, συμπεριφέρονται ως ένα συγχρονισμένο σύστημα που μοιράζεται την ίδια κβαντική κατάσταση. Το πρακτικό αποτέλεσμα είναι ότι η ενέργεια λέιζερ εγχέεται στη συσκευή πολύ αποτελεσματικά και εξαιρετικά γρήγορα, αποθηκεύοντας με τη μορφή συλλογικών διεγέρσεων (πολαριτόνια ή άλλες υβριδικές καταστάσεις φωτός-ύλης, ανάλογα με το λεπτομερές μοντέλο).

Μόλις τελειώσει ο παλμός, η μπαταρία παραμένει σε διεγερμένη κατάσταση. Εδώ είναι που φάση αποθήκευσηςΑν και ο χρόνος διατήρησης είναι ακόμα πολύ σύντομος σε σχέση με τις εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο (νανοδευτερόλεπτα, 10⁻⁹ s), οι ερευνητές παρατήρησαν ότι η ενέργεια διατηρείται για περίπου έξι τάξεις μεγέθους περισσότερο χρόνο από τον χρόνο που αφιερώνεται στη φόρτωσή του. Δηλαδή, εάν η διαδικασία φόρτωσης μετρηθεί σε φεμτοδευτερόλεπτα, η αποθήκευση εκτείνεται σε νανοδευτερόλεπτα, κάτι που, από την άποψη της φυσικής των υλικών, είναι ένας πολύ εντυπωσιακός λόγος χρόνου φόρτωσης/χρόνου συγκράτησης.

Τέλος, για την φάση εκφόρτισηςΗ συσκευή ενσωματώνει λειτουργικά στρώματα που διοχετεύουν την αποθηκευμένη ενέργεια σε ηλεκτρικές επαφές. Με αυτόν τον τρόπο, η κβαντική διέγερση της κοιλότητας μεταφράζεται σε ένα μετρήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα στο εξωτερικό, ολοκληρώνοντας έτσι τον κύκλο λειτουργίας μιας μπαταρίας: φορτίζει με φως, αποθηκεύει ενέργεια για πεπερασμένο χρόνο και στη συνέχεια την παρέχει ως ηλεκτρική ενέργεια, ενώ... θερμοκρασία δωματίου, χωρίς την ανάγκη για ακραίες κρυογονικές συνθήκες.

Υπεραπορρόφηση: γιατί φορτίζει πιο γρήγορα όσο μεγαλύτερο είναι

Η πιο πρωτοποριακή ιδιότητα των κβαντικών μπαταριών είναι η συμπεριφορά τους όταν το μέγεθος του συστήματος κλιμακώνεται. Σε μια συμβατική μπαταρία, εάν διπλασιάσετε τη χωρητικότητα, κανονικά... αύξηση του χρόνου φόρτωσης (εκτός από τις αυξημένες απώλειες θερμότητας και την εσωτερική αντίσταση). Αντίθετα, σε μια κβαντική μπαταρία με υπεραπορρόφηση, συμβαίνει κάτι εντελώς αντίθετο με τη διαίσθηση: καθώς αυξάνεται ο αριθμός των μορίων ή των μονάδων αποθήκευσης, ο χρόνος φόρτισης ανά μονάδα μειώνεται.

Από τεχνικής άποψης, οι ερευνητές περιγράφουν τον χρόνο φόρτωσης ως μειωμένο περίπου ως 1/√Nόπου N είναι ο αριθμός των μορίων που εμπλέκονται στη συλλογική διαδικασία. Αυτό σημαίνει ότι αν διπλασιάσετε το «μέγεθος» της μπαταρίας, η αποτελεσματική ταχύτητα φόρτισης της συναρμολόγησης βελτιώνεται και ο απαιτούμενος χρόνος σχεδόν μειώνεται στο μισό. Καθώς συνεχίζετε να αυξάνετε την κλίμακα, το κέρδος συνεχίζεται, αντί να μειώνετε την ταχύτητα όπως συμβαίνει με τις παραδοσιακές μπαταρίες.

Αυτό το φαινόμενο της υπεραπορρόφησης ή της υπερεκτατικότητας δεν είναι καινούργιο στη θεωρία: προτάθηκε πριν από περισσότερο από μια δεκαετία και, το 2022, επαληθεύτηκε εν μέρει σε ένα πείραμα που κατέδειξε ότι τα μοριακά συστήματα που περιορίζονται σε μια κοιλότητα θα μπορούσαν συλλογικά να απορροφήσουν ενέργεια ταχύτερα από το άθροισμα των μεμονωμένων συνεισφορών. Αυτό που συμβάλλει η τρέχουσα εργασία είναι η πλήρης επικύρωση κύκλου σε μια λειτουργική μπαταρία: αποδεικνύεται ότι ο ίδιος μηχανισμός χρησιμεύει για τη φόρτιση, τη διατήρηση και στη συνέχεια την εξαγωγή αξιοποιήσιμης ενέργειας.

Από εννοιολογική άποψη, αυτή η ιδιότητα ξαναγράφει έναν από τους βασικούς κανόνες με τους οποίους σχεδιάζεται οποιοδήποτε σύστημα αποθήκευσης ενέργειας: για πρώτη φορά έχουμε μια συσκευή όπου Η κλίμακα δεν είναι πρόβλημα, αλλά πλεονέκτημαΌσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο, τόσο το καλύτερο, τουλάχιστον εντός του καθεστώτος στο οποίο διατηρείται η συλλογική κβαντική συνοχή.

Ο ίδιος ο Quach το συνοψίζει πολύ καθαρά στις δηλώσεις του: τα αποτελέσματά του επιβεβαιώνουν ένα «εντελώς αντιφατικό» κβαντικό φαινόμενο, σύμφωνα με το οποίο οι κβαντικές μπαταρίες επαναφορτίζονται γρηγορότερα όσο μεγαλύτερες είναι, κάτι που δεν παρατηρείται σε καμία από τις σημερινές εμπορικές μπαταρίες. Αυτή η παρατήρηση, που δημοσιεύτηκε σε ένα κορυφαίο περιοδικό, υποστηρίζει σθεναρά την ιδέα ότι Η υπεραπορρόφηση είναι ένα πραγματικό εργαλείο να σχεδιάσουμε μπαταρίες του μέλλοντος, όχι απλώς ένα μαθηματικό κόλπο σε μια εργασία.

Κβαντική μπαταρία έναντι μπαταριών ιόντων λιθίου: μια άμεση σύγκριση

Για να κατανοήσουμε καλύτερα το εύρος της προόδου, είναι χρήσιμο να συγκρίνουμε την κβαντική μπαταρία και μια τυπική μπαταρία ιόντων λιθίουη οποία είναι η τεχνολογία που κυριαρχεί σήμερα, από τα smartphones μέχρι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Παρόλο που έχουν σχεδιαστεί για να λύσουν το ίδιο πρόβλημα (αποθήκευση ενέργειας), ο τρόπος με τον οποίο το κάνουν αυτό και οι περιορισμοί τους διαφέρουν ριζικά σε αρκετές βασικές πτυχές.

Πρώτον, το μηχανισμός φόρτωσηςΗ μπαταρία λιθίου βασίζεται σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, με ιόντα που κινούνται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Η κβαντική μπαταρία, από την άλλη πλευρά, δεν έχει χημική αντίδραση που υποβαθμίζεται με την πάροδο του χρόνου. Αντίθετα, χρησιμοποιεί συλλογικά κβαντικά φαινόμενα σε μια οπτική κοιλότητα. Αυτό θεωρητικά της επιτρέπει να λειτουργεί με πολύ γρήγορους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, χωρίς τα ίδια προβλήματα φθοράς που επηρεάζουν τα ενεργά υλικά των μπαταριών λιθίου.

La ταχύτητα φόρτωσης Αυτός είναι ένας ακόμη τομέας όπου η διαφορά είναι εκπληκτική. Μια μπαταρία κινητού τηλεφώνου μπορεί να χρειαστεί από δεκάδες λεπτά έως και πάνω από μία ώρα για να φορτίσει, και μια μπαταρία ηλεκτρικού αυτοκινήτου μπορεί να απαιτήσει από αρκετές ώρες αργής φόρτισης έως γρήγορους φορτιστές που χρειάζονται μόνο δεκάδες λεπτά. Η κβαντική μπαταρία που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο φορτίζει σε φεμτοδευτερόλεπτα, μια κλίμακα δισεκατομμύρια φορές πιο γρήγορα. Προφανώς, η ποσότητα ενέργειας που εμπλέκεται είναι ελάχιστη, αλλά η υποκείμενη φυσική αρχή θέτει ένα ανώτατο όριο ταχύτητας που υπερβαίνει κατά πολύ αυτό των τρεχουσών τεχνολογιών.

Ως προς μέθοδος φόρτισηςΟι συμβατικές μπαταρίες απαιτούν καλώδιο ή, στην καλύτερη περίπτωση, ένα πολύ κοντινό επαγωγικό πηνίο για ασύρματη φόρτιση. Το κβαντικό πρωτότυπο επαναφορτίζεται χρησιμοποιώντας λέιζερ, που σημαίνει ότι είναι εντελώς ασύρματο και σε απόσταση, κάτι που υποδηλώνει μελλοντικά συστήματα απομακρυσμένης τροφοδοσίας που χρησιμοποιούν δέσμες φωτός, υπό την προϋπόθεση ότι στη συνέχεια θα αντιμετωπιστούν ζητήματα ασφάλειας, αποδοτικότητας και ρύθμισης.

Η κύρια αχίλλειος πτέρνα της κβαντικής μπαταρίας σήμερα είναι η χρόνος διατήρησηςΜια μπαταρία λιθίου διατηρεί την αποθηκευμένη ενέργειά της για ώρες ή ημέρες, με σχετικά μέτριες απώλειες. Η κβαντική συσκευή διατηρεί το φορτίο της μόνο για νανοδευτερόλεπτα, γεγονός που την καθιστά προς το παρόν μη πρακτική για καθημερινή χρήση. Ακόμα κι έτσι, η αναλογία μεταξύ χρόνου φόρτισης και αποθήκευσης - μια διαφορά έξι τάξεων μεγέθους - καταδεικνύει ένα χρήσιμο λειτουργικό παράθυρο για να διερευνηθεί εάν αυτά τα νανοδευτερόλεπτα μπορούν να επεκταθούν σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες.

Τέλος, το επεκτασιμότητα Δείχνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η κλιμάκωση των χημικών μπαταριών περιλαμβάνει την αντιμετώπιση ζητημάτων ασφάλειας, υπερθέρμανσης και περιορισμών στη μεταφορά ιόντων. Στις κβαντικές μπαταρίες, η θεωρία υποδηλώνει ότι η απόδοση βελτιώνεται με το μέγεθος χάρη στην υπεραπορρόφηση, καθιστώντας την κλιμάκωση έναν ελκυστικό στόχο. Η πρόκληση είναι να επιτευχθεί αυτό χωρίς να χαθεί η κβαντική συνοχή και χωρίς να αυξηθεί σημαντικά το κόστος κατασκευής σύνθετων οπτικών δομών.

Τρέχουσα κατάσταση του πρωτοτύπου: πραγματικά επιτεύγματα και περιορισμοί

Σε αυτό το σημείο είναι εύκολο να παρασυρθούμε από υποσχέσεις, αλλά είναι σημαντικό να είμαστε πολύ σαφείς: το τρέχουσα ενεργειακή χωρητικότητα Η ενέργεια του πρωτοτύπου είναι μικροσκοπική. Μιλάμε για μεγέθη της τάξης των δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ, αριθμοί που, ενώ είναι εντυπωσιακοί στη σωματιδιακή φυσική, είναι πρακτικά μηδενικοί όσον αφορά την πρακτική ενέργεια σε σύγκριση με αυτήν που χρειάζεται οποιαδήποτε εμπορική συσκευή.

Επιπλέον, όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο χρόνος αποθήκευσης μετριέται σε νανοδευτερόλεπτα, καθιστώντας προς το παρόν αδύνατο να φανταστεί κανείς ότι τροφοδοτεί ένα κινητό τηλέφωνο, ένα σπίτι ή ένα όχημα. Είναι ένα εργαστηριακή απόδειξη της έννοιαςΔεν είναι ένα προ-εμπορικό προϊόν. Η ίδια η ομάδα επιμένει ότι υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει για να μετατραπεί αυτή η ιδέα σε κάτι που μπορεί να βγει από τα εργαστήρια και να εισέλθει στη βιομηχανία.

Το πείραμα, ωστόσο, λύνει ένα βασικό εννοιολογικό εμπόδιο: καταδεικνύει ότι μπορείτε φόρτωση, συντήρηση και εκφόρτωση Η ενέργεια έχει αποθηκευτεί με συνοχή σε μία μόνο συσκευή σε θερμοκρασία δωματίου, επικυρώνοντας έτσι μια δεκαετία θεωρητικών προβλέψεων. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι η ενέργεια διατηρείται με ρυθμό έξι τάξεων μεγέθους σε σχέση με τον χρόνο φόρτισης, καθιστώντας σαφές ότι η απώλεια συνοχής δεν είναι στιγμιαία, όπως αρχικά φοβόντουσαν πολλά μοντέλα.

Ένας άλλος παράγοντας διαφοροποίησης σε σύγκριση με άλλες προσεγγίσεις είναι η λειτουργία χωρίς την ανάγκη κρυογονικής ψύξης. Ορισμένα προηγούμενα πειράματα κβαντικής αποθήκευσης και πρωτότυπα που βασίζονται σε υπεραγωγούς απαιτούσαν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες για να λειτουργήσουν, γεγονός που περιορίζει την πρακτική τους εφαρμογή. Σε αυτήν την περίπτωση, το λειτουργία σε θερμοκρασία δωματίου Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα όσον αφορά τη φαντασία μελλοντικής κλιμάκωσης ή ενσωματώσεων με πιο συμβατικά ηλεκτρονικά συστήματα.

Από την άποψη του τεχνολογικού σχεδιασμού, οι ίδιοι οι συγγραφείς μιλούν για χρόνια ή και δεκαετίες πριν δούμε εμπορικά βιώσιμες κβαντικές μπαταρίες. Δεν πρόκειται για κάποιο άλμα που θα παρατηρήσουμε στα σημεία φόρτισης του χρόνου, αλλά μάλλον για μια μακροπρόθεσμη ερευνητική πορεία που θα αναπτυχθεί παράλληλα με άλλες λύσεις που είναι πιο κοντά στην αγορά, όπως μπαταρίες ροής, μπαταρίες άμμου ή νέες χημικές ουσίες χωρίς λίθιο για σταθερή αποθήκευση.

Πιθανές εφαρμογές: από κβαντικούς υπολογιστές έως ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Δεδομένης της εμβρυακής κατάστασης της τεχνολογίας, θα ήταν αφελές να περιμένουμε την άμεση εφαρμογή της σε καταναλωτικά προϊόντα. Ακόμα κι έτσι, υπάρχουν πολλά σενάρια όπου η Οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν να είναι μια εξαιρετική επιλογή αν καταφέρουν να ξεπεράσουν τα τρέχοντα εμπόδια, ειδικά σε περιπτώσεις όπου η ταχύτητα φόρτωσης και η κβαντική συμβατότητα είναι πιο σημαντικές από την τεράστια χωρητικότητα αποθήκευσης.

Η πιο προφανής περίπτωση χρήσης βραχυπρόθεσμα και μεσοπρόθεσμα είναι η κβαντικούς υπολογιστέςΑυτά τα συστήματα λειτουργούν με εξαιρετικά ευαίσθητα qubits, των οποίων η κατάσταση πρέπει να παραμένει σταθερή κατά την εκτέλεση των λειτουργιών. Η τροφοδότησή τους με κλασικές πηγές ενέργειας εισάγει θόρυβο και διακυμάνσεις που μπορούν να υποβαθμίσουν την ποιότητα των υπολογισμών. Μια κβαντική μπαταρία, η οποία φορτίζει και εκφορτίζεται ακολουθώντας τους ίδιους κβαντικούς κανόνες με τον επεξεργαστή, θα μπορούσε να παρέχει ενέργεια με μεγαλύτερη συνέπεια, ελαχιστοποιώντας τις διαταραχές και βελτιώνοντας τη σταθερότητα του συστήματος.

Πέρα από τον κβαντικό κόσμο, οι ερευνητές οραματίζονται εφαρμογές σε ηλεκτρικά οχήματαΤο μακροπρόθεσμο όραμα είναι ότι οι οδηγοί ηλεκτρικών αυτοκινήτων θα μπορούν να επαναφορτίζουν τα οχήματά τους πολύ πιο γρήγορα από ό,τι γεμίζουν μια δεξαμενή βενζίνης σήμερα, μειώνοντας δραστικά ένα από τα κύρια εμπόδια στην υιοθέτησή τους. Εάν το φαινόμενο της υπεραπορρόφησης μπορούσε να εφαρμοστεί σε συσκευές υψηλής χωρητικότητας, οι χρόνοι αναμονής στα σημεία φόρτισης θα μπορούσαν να μειωθούν σε λεπτά ή και δευτερόλεπτα.

Μια άλλη ελκυστική εφαρμογή θα ήταν η ασύρματη φόρτιση μεγάλης εμβέλειαςΔεδομένου ότι το πρωτότυπο φορτίζεται με φως λέιζερ, δεν είναι παράλογο να φανταστούμε συστήματα που παρέχουν στοχευμένη ενέργεια σε απομακρυσμένες συσκευές, αισθητήρες IoT, εμφυτεύσιμο ιατρικό εξοπλισμό ή ακόμα και σε drones και βιομηχανικά ρομπότ. Προφανώς, θα πρέπει να αντιμετωπιστούν ζητήματα ασφάλειας και αποδοτικότητας, αλλά το γεγονός ότι ο βασικός μηχανισμός λειτουργεί με φωτόνια ανοίγει πόρτες που είναι δύσκολο να προσεγγιστούν με τη συμβατική μαγνητική επαγωγή.

Αναφέρονται επίσης πιθανές χρήσεις σε φορητές και φορετές συσκευές, όπου ο στόχος δεν είναι τόσο η αποθήκευση τεράστιας ποσότητας ενέργειας όσο επαναφορτίζεται πολύ γρήγορα και με ελάχιστες παρεμβολές. Φανταστείτε ακουστικά, έξυπνα ρολόγια ή γυαλιά επαυξημένης πραγματικότητας που επαναφορτίζονται σε δευτερόλεπτα χωρίς να χρειάζεται να συνδεθούν με καλώδιο, εκμεταλλευόμενα τις ελεγχόμενες δέσμες φωτός σε κλειστούς χώρους όπως γραφεία ή σπίτια.

Στο βιομηχανικό περιβάλλον και στο περιβάλλον υποδομών, εάν ποτέ επιτευχθούν πρωτότυπα με μεγαλύτερους χρόνους διατήρησης και υψηλές χωρητικότητες, οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε έξυπνα ηλεκτρικά δίκτυα και συστήματα υποστήριξης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, που λειτουργούν ως κόμβοι εξαιρετικά γρήγορης απόκρισης στην αιχμή της ζήτησης ή σε ξαφνικές διακυμάνσεις στην παραγωγή ηλιακής ή αιολικής ενέργειας. Για να συμβεί αυτό, ωστόσο, θα απαιτηθούν πρώτα αρκετά γιγάντια άλματα στα υλικά, τη μηχανική και την κλιμάκωση.

Σημαντικές προκλήσεις και ορίζοντας ανάπτυξης

Η ομάδα CSIRO και τα εμπλεκόμενα πανεπιστήμια είναι πολύ διαφανή σχετικά με το τι απομένει να γίνει. Το επόμενο τεχνικό βήμα προτεραιότητας είναι παρατείνετε τον χρόνο αποθήκευσης της ενέργειας στη συσκευή. Η μετάβαση από νανοδευτερόλεπτα σε μικροδευτερόλεπτα, χιλιοστά του δευτερολέπτου και, τελικά, σε κλίμακες συγκρίσιμες με τις ανάγκες των πραγματικών ηλεκτρονικών είναι ίσως η πιο σύνθετη πρόκληση, επειδή περιλαμβάνει τη διατήρηση της κβαντικής συνοχής για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα χωρίς το περιβάλλον να καταστρέφει τη συλλογική κατάσταση.

Παράλληλα, θα είναι απαραίτητο κλιμάκωση του μεγέθους της συσκευής Πέρα από την τρέχουσα οργανική μικροκοιλότητα, διατηρώντας παράλληλα το φαινόμενο υπεραπορρόφησης, καθώς ο αριθμός των μορίων αυξάνεται και η δομή επεκτείνεται, ενδέχεται να εμφανιστούν νέα φαινόμενα αταξίας, οπτικές απώλειες και προβλήματα κατασκευής που προς το παρόν υποψιάζονται μόνο σε προσομοιώσεις. Η επίλυση αυτών θα απαιτήσει πρόοδο στην επιστήμη των υλικών, την ολοκληρωμένη φωτονική και τις τεχνικές νανοκατασκευής.

Απομένει επίσης να ποσοτικοποιηθεί λεπτομερώς η συνολική ενεργειακή απόδοση του συστήματος: πόση ενέργεια παρέχεται στο λέιζερ, πόση εισέρχεται στην κοιλότητα, πόση χάνεται ως θερμότητα ή αυθόρμητη εκπομπή και πόση τελικά ανακτάται ως ηλεκτρικό ρεύμα. Για να ανταγωνιστεί τις ώριμες τεχνολογίες, η κβαντική μπαταρία θα πρέπει να αποδείξει όχι μόνο ότι είναι εξαιρετικά γρήγορη, αλλά και ότι η ενέργεια που χειρίζεται χρησιμοποιείται αρκετά αποτελεσματικά.

Πέρα από την καθαρή φυσική, υπάρχουν προκλήσεις κατά τη μετάβαση στην αγορά: ανάπτυξη επαναλήψιμων και κλιμακώσιμων διαδικασιών κατασκευής, καθορισμός προτύπων ασφαλείας για τη φόρτιση με λέιζερ, ενσωμάτωση αυτών των συσκευών με τα υπάρχοντα ηλεκτρονικά συστήματα και, φυσικά, για να γίνουν τα έξοδα αποδεκτά Σε σύγκριση με εναλλακτικές λύσεις όπως το λίθιο, οι μπαταρίες ροής ή η θερμική αποθήκευση, οι κβαντικές μπαταρίες αναμένεται να καταλάβουν συγκεκριμένες θέσεις (όπως η κβαντική υπολογιστική ή οι εξαιρετικά κρίσιμες εφαρμογές) για τουλάχιστον μεγάλο χρονικό διάστημα πριν φτάσουν στη μαζική αγορά.

Εν τω μεταξύ, το τοπίο αποθήκευσης ενέργειας θα παραμείνει ποικίλο. Τεχνολογίες όπως μπαταρίες άμμου Για φθηνή θερμική αποθήκευση, οι οργανικές μπαταρίες ροής χωρίς λίθιο για οικιακή χρήση ή οι νέες ενώσεις νατρίου-θείου για σταθερές εφαρμογές βρίσκονται ήδη πιο κοντά στην εμπορευματοποίηση. Η κβαντική μπαταρία αναδεικνύεται ως ένα από τα προηγμένα κομμάτια αυτού του παζλ, ειδικά στον τομέα της εξαιρετικά γρήγορης και ασύρματης φόρτισης όταν —και αν— ωριμάσει επαρκώς.

Συνολικά, η πρώτη λειτουργική κβαντική μπαταρία καταδεικνύει ότι μια ιδέα που ακουγόταν σχεδόν σαν θεωρητικό κόλπο μπορεί να υλοποιηθεί σε μια πραγματική συσκευή ικανή να σπάστε την κλασική σχέση μεταξύ μεγέθους και χρόνου φόρτωσηςΠαρόλο που η τρέχουσα χωρητικότητά τους είναι ελάχιστη και το παράθυρο αποθήκευσής τους εξαιρετικά σύντομο, το απλό γεγονός του κλεισίματος του κύκλου φόρτισης, διατήρησης και εκφόρτισης σε θερμοκρασία δωματίου αλλάζει τη συζήτηση σχετικά με το τι είναι δυνατό στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας. Από εδώ και στο εξής, η συζήτηση δεν είναι πλέον αν οι κβαντικές μπαταρίες μπορούν να λειτουργήσουν, αλλά πόσο καιρό και πόσες εξελίξεις θα χρειαστούν για να σταματήσουν να αποτελούν ένα εργαστηριακό πείραμα και να αρχίσουν να επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο φορτίζουμε τις συσκευές μας και τροφοδοτούμε την υποδομή του μέλλοντος.