Функциональная квантовая батарея: это первый реальный прототип.

Представьте, что ваш мобильный телефон заряжается практически мгновенно, или что электромобиль заправляется быстрее, чем сегодня заправляется бензобак. Это звучит как научная фантастика, но группа австралийских ученых сделала первый серьезный шаг к воплощению этого сценария в реальность: они создали Первая в мире функциональная квантовая батареяЭто реальное устройство, которое заряжает, хранит и разряжает энергию, используя законы квантовой механики, а не классической химии.

Это достижение — не просто любопытный эксперимент, а доказательство концепции, подтверждающее идею, которая циркулирует в теоретических статьях уже более десяти лет: что квантовая батарея может Чем больше его размер, тем быстрее он заряжается.Это полная противоположность тому, что происходит с современными батареями, где большая емкость означает более длительное время ожидания. Хотя мы все еще рассматриваем лабораторный прототип с ничтожно малой емкостью и очень коротким временем хранения, этот прогресс открывает новое направление для... сверхбыстрое беспроводное хранение энергии и, прежде всего, для эффективного обеспечения работы квантовых компьютеров.

Связанная статья:

Квантовые вычисления уже не за горами, и вот как они могут навсегда изменить вашу жизнь.

Что такое квантовая батарея и чем она отличается от обычной батареи?

Обычная батарея, например, литий-ионная батарея в вашем телефоне или электромобиле, основана на электрохимические реакцииИоны перемещаются между электродами через электролит, накапливая или высвобождая энергию в виде электрического тока. Это высокооптимизированная технология, но ее производительность ограничена химическими процессами и такими эффектами, как внутреннее сопротивление или выделение тепла по мере увеличения размера.

Квантовая батарея использует совершенно иной подход: она опирается не на химические процессы, а на квантовые свойства материи например, суперпозиция, запутанность и коллективный отклик множества одновременно возбужденных молекул. Вместо независимых электрохимических ячеек система функционирует как набор накопительных элементов, действующих скоординированно, обмениваясь энергией со светом коллективно, а не по отдельности.

В австралийском прототипе сердцем устройства является многослойная органическая микрополостьЭто крошечная структура, состоящая из нескольких слоев органических материалов, расположенных друг над другом и образующих нечто вроде «сэндвича» в наномасштабе. Между этими слоями находятся локализованные экситоны (квазичастицы, описывающие возбужденные электронно-дырочные пары), которые отвечают за захват и хранение энергии, поступающей в виде света.

Когда эта микрополость освещается специально настроенным лазером, молекулы поглощают энергию не изолированно, как в классической солнечной панели, а переходят в коллективное состояние, в котором Все они совместно участвуют в поглощении фотонов.Именно это комбинированное поведение, технически описываемое квантовой теорией поля в оптических резонаторах, делает это устройство настоящей квантовой батареей.

Примечательно, что исследователи не ограничились демонстрацией возможности возбуждения системы: им удалось завершить полный цикл работы батареи. Другими словами, они достигли цели. заряжать, поддерживать и извлекать энергию. в виде электрического тока при комнатной температуре, чего до сих пор не удавалось достичь ни одному другому подходу к созданию квантовых батарей, при этом все этапы процесса были четко определены.

Кто стоит за созданием первого работающего прототипа квантовой батареи?

Этот прорыв стал результатом работы консорциума, образованного австралийским национальным научным агентством CSIRO, Университетом RMIT и Мельбурнским университетом. Руководит проектом... Джеймс Куах, исследователь CSIRO, специализирующийся на квантовых технологиях, который много лет занимался разработкой идеи преобразования теоретических предсказаний о квантовых батареях в реальное лабораторное устройство.

Еще в 2018 году Куач и его коллеги начали исследовать конструкции, основанные на органических микрополостях, а в 2022 году они объявили о своих разработках. первый частичный прототип Эта версия позволяла экспериментально продемонстрировать, что с увеличением размера системы скорость зарядки возрастает, как и указывали уравнения. Однако у неё был существенный недостаток: её можно было заряжать, но не было ясного и эффективного способа рекуперации накопленной энергии.

В новой работе, опубликованной в журнале. Свет: наука и приложения Группа исследователей из журнала Nature (DOI 10.1038/s41377-026-02240-6) решила эту проблему, добавив к устройству дополнительные слои, которые действуют как интерфейс между энергией, заключенной в полости, и внешней цепью. Эти слои преобразуют энергию, захваченную в микрополости, в... полезный электрический ток, впервые завершив рабочий цикл квантовой батареи.

В проекте принимали участие такие специалисты, как Джеймс Хатчисон и Тревор Смит из Мельбурнского университета, ответственные за проведение экспериментов. сверхбыстрая спектроскопия Эти приборы позволяют исследователям наблюдать динамику системы в фемтосекундном и наносекундном масштабах времени. Исследователи из RMIT, такие как Даниэль Тиббен, внесли свой вклад в разработку и характеризацию устройства, а члены CSIRO, такие как Киран Хаймас, оказали поддержку в инженерных и экспериментальных аспектах.

Публикация в высокорейтинговом журнале и сотрудничество нескольких авторитетных учреждений придают этому выводу значительный научный вес. Это не единичное или анекдотическое исследование, а скорее еще один фрагмент в рамках более обширного исследования. устойчивое направление исследований в области квантовых батарей, которая всего за чуть более чем десятилетие прошла путь от теории до практического применения.

Как работает квантовая батарея: от лазера до электрического тока

Принцип работы прототипа можно кратко описать тремя этапами: зарядка, хранение и разрядка. Каждый этап основан на физических явлениях, существенно отличающихся от явлений в обычной химической батарее, хотя общий результат — получение электрической энергии по требованию — концептуально схож. Именно детальное понимание того, как всё это работает, делает его по-настоящему захватывающим.

La фаза загрузки Процесс начинается с того, что лазерный импульс освещает органическую микрополость. Частота и интенсивность этого лазера тщательно настраиваются для возбуждения коллективных состояний молекул устройства. Длительность импульса чрезвычайно мала: речь идёт о фемтосекундах, то есть об одной квадриллионной доле секунды (10⁻¹⁵ с), настолько коротких, что их можно получить только с помощью сверхбыстрых спектроскопических приборов.

В течение этого кратковременного мигания молекулы, образующие полость, переходят в режим кооперативная суперабсорбцияВместо поглощения фотонов по одному, они ведут себя как синхронизированная система, разделяющая одно и то же квантовое состояние. Практический результат заключается в том, что энергия лазера очень эффективно и чрезвычайно быстро поступает в устройство, сохраняясь в виде коллективных возбуждений (поляритонов или других гибридных состояний свет-материя, в зависимости от детальной модели).

После окончания импульса батарея остается в возбужденном состоянии. Именно здесь и происходит... фаза храненияХотя время сохранения энергии по-прежнему очень короткое для реальных практических применений (наносекунды, 10⁻⁹ с), исследователи заметили, что энергия сохраняется в течение приблизительно в шесть порядков больше времени чем время, затраченное на загрузку. То есть, если процесс загрузки измеряется в фемтосекундах, то время хранения достигает наносекунд, что с точки зрения физики материалов является очень поразительным соотношением времени загрузки и времени удержания.

Наконец, для фаза разрядаУстройство включает в себя функциональные слои, которые направляют накопленную энергию к электрическим контактам. Таким образом, квантовое возбуждение полости преобразуется в измеримый электрический ток снаружи, завершая цикл работы батареи: она заряжается светом, накапливает энергию в течение конечного времени, а затем отдает ее в виде электричества, и все это время... комнатная температурабез необходимости применения экстремальных криогенных условий.

Суперабсорбция: почему зарядка происходит быстрее, чем больше размер.

Наиболее революционным свойством квантовых батарей является их поведение при увеличении размера системы. В обычной батарее, если удвоить емкость, обычно... увеличить время загрузки (в дополнение к увеличению тепловых потерь и внутреннего сопротивления). Напротив, в квантовой батарее со сверхпоглощением происходит нечто совершенно нелогичное: по мере увеличения числа молекул или единиц хранения время зарядки на единицу сокращается.

С технической точки зрения, исследователи описывают сокращение времени загрузки примерно следующим образом: 1/√Нгде N — количество молекул, участвующих в коллективном процессе. Это означает, что если удвоить «размер» батареи, эффективная скорость зарядки всей системы улучшится, а необходимое время сократится почти вдвое; при дальнейшем увеличении масштаба выигрыш будет сохраняться, а не снижаться, как это происходит с традиционными батареями.

Феномен сверхпоглощения или сверхэкстенсивности не является новым в теории: он был предложен более десяти лет назад и в 2022 году был частично подтвержден в эксперименте, показавшем, что молекулярные системы, заключенные в полость, могут коллективно поглощать энергию быстрее, чем сумма индивидуальных вкладов. Вклад данной работы заключается в следующем: валидация полного цикла В функциональной батарее показано, что один и тот же механизм служит для зарядки, поддержания и последующего извлечения полезной энергии.

С концептуальной точки зрения, это свойство переписывает одно из основных правил, по которому проектируется любая система хранения энергии: впервые у нас есть устройство, в котором Масштаб не является проблемой, а скорее преимуществом.Чем больше заряд, тем лучше, по крайней мере, в режиме, в котором поддерживается коллективная квантовая когерентность.

Сам Куач очень четко резюмирует это в своих заявлениях: его результаты подтверждают «совершенно неинтуитивный» квантовый эффект, согласно которому квантовые батареи заряжаются быстрее, чем они больше, чего не наблюдается ни в одной из современных коммерческих батарей. Это наблюдение, опубликованное в ведущем научном журнале, убедительно подтверждает идею о том, что Суперабсорбция — это действительно эффективный инструмент. Разрабатывать батареи будущего, а не просто использовать математические уловки в научных работах.

Квантовые батареи против литий-ионных батарей: прямое сравнение

Для лучшего понимания масштабов прогресса полезно сравнить квантовую батарею и стандартная литий-ионная батареяЭто технология, которая сегодня доминирует, от смартфонов до электромобилей. Хотя они предназначены для решения одной и той же проблемы (хранение энергии), способы их решения и ограничения радикально различаются по ряду ключевых аспектов.

Во-первых, механизм загрузкиЛитиевая батарея основана на окислительно-восстановительных реакциях, при которых ионы перемещаются между анодом и катодом. Квантовая батарея, напротив, не использует химические реакции, которые приводят к деградации со временем; вместо этого она использует коллективные квантовые эффекты в оптическом резонаторе. Теоретически это позволяет ей работать с очень быстрыми циклами заряда и разряда, без тех проблем износа, которые затрагивают активные материалы литиевых батарей.

La скорость загрузки Это еще одна область, где разница поразительна. Для зарядки аккумулятора мобильного телефона может потребоваться от нескольких десятков минут до более часа, а для зарядки аккумулятора электромобиля — от нескольких часов медленной зарядки до быстрых зарядных устройств, которые все равно заряжают аккумулятор всего за несколько минут. Разработанный в лаборатории квантовый аккумулятор заряжается за фемтосекунды, что в миллиарды раз быстрее. Очевидно, что количество затраченной энергии ничтожно мало, но лежащий в основе физический принцип устанавливает предел скорости, намного превосходящий возможности современных технологий.

Относительно метод зарядкиДля беспроводной зарядки обычных батарей требуется кабель или, в лучшем случае, очень близко расположенная индукционная катушка. Квантовый прототип заряжается с помощью лазера, что означает полную беспроводность и возможность зарядки на расстоянии, что указывает на перспективу создания в будущем дистанционных систем электропитания с использованием световых лучей, при условии, что впоследствии будут решены вопросы безопасности, эффективности и регулирования.

Главной ахиллесовой пятой современных квантовых батарей является время удерживанияЛитиевая батарея сохраняет накопленную энергию в течение нескольких часов или дней с относительно умеренными потерями. Квантовое устройство сохраняет заряд лишь в течение наносекунд, что делает его в настоящее время непрактичным для повседневного использования. Тем не менее, соотношение между временем зарядки и временем хранения — разница в шесть порядков — демонстрирует полезный рабочий диапазон для изучения возможности увеличения этих наносекунд до гораздо больших временных масштабов.

Por último, la масштабируемость Они указывают в противоположных направлениях. Масштабирование химических батарей связано с решением проблем безопасности, перегрева и ограничений ионного транспорта. В квантовых батареях теория предполагает, что производительность улучшается с увеличением размера благодаря сверхпоглощению, что делает масштабирование привлекательной целью. Задача состоит в том, чтобы достичь этого без потери квантовой когерентности и без значительного увеличения стоимости производства сложных оптических структур.

Текущее состояние прототипа: фактические достижения и ограничения.

На данном этапе легко увлечься обещаниями, но важно четко понимать: текущая энергетическая мощность Энергия прототипа микроскопическая. Речь идёт о величинах порядка миллиардов электронвольт, числах, которые, хотя и впечатляют в физике элементарных частиц, практически равны нулю с точки зрения практической энергии по сравнению с тем, что требуется любому коммерческому устройству.

Кроме того, как уже упоминалось, время хранения измеряется в наносекундах, поэтому в настоящее время невозможно представить, чтобы оно использовалось для питания мобильного телефона, дома или автомобиля. лабораторное подтверждение концепцииЭто не предкоммерческий продукт. Сама команда настаивает на том, что предстоит еще много работы, чтобы превратить эту идею в нечто, что сможет выйти за пределы лабораторий и войти в промышленность.

Однако эксперимент устраняет ключевое концептуальное препятствие: он демонстрирует, что это возможно. погрузка, техническое обслуживание и разгрузка Энергия была когерентно сохранена в одном устройстве при комнатной температуре, что подтвердило теоретические предсказания, сделанные на протяжении десятилетия. Также было показано, что энергия сохраняется со скоростью, в шесть порядков превышающей время зарядки, что ясно показывает, что потеря когерентности не происходит мгновенно, как первоначально опасались во многих моделях.

Еще одним отличительным фактором по сравнению с другими подходами является работа без необходимости криогенного охлаждения. Некоторые предыдущие эксперименты по квантовому хранению данных и прототипы на основе сверхпроводников требовали для работы чрезвычайно низких температур, что ограничивает их практическое применение. В этом случае... работа при комнатной температуре Это существенное преимущество, когда речь идет о планировании будущего масштабирования или интеграции с более традиционными электронными системами.

С точки зрения технологического планирования, сами авторы говорят о лет или даже десятилетий Прежде чем мы увидим коммерчески жизнеспособные квантовые батареи, это будет не тот скачок, который мы заметим на зарядных станциях в следующем году, а скорее долгосрочное направление исследований, которое будет развиваться параллельно с другими решениями, более близкими к рынку, такими как проточные батареи, песчаные батареи или новые безлитиевые химические составы для стационарного хранения энергии.

Возможные области применения: от квантовых компьютеров до электромобилей.

Учитывая зачаточное состояние технологии, было бы наивно ожидать ее немедленного внедрения в потребительские товары. Тем не менее, существует несколько сценариев, в которых она может быть использована. Квантовые батареи могли бы идеально подойти. если им удастся преодолеть существующие барьеры, особенно в случаях, когда скорость загрузки и квантовая совместимость важнее, чем огромная емкость хранения.

Наиболее очевидным вариантом применения в краткосрочной и среднесрочной перспективе является... квантовые компьютерыЭти системы работают с чрезвычайно чувствительными кубитами, состояние которых должно оставаться неизменным во время выполнения операций. Питание их от классических источников энергии вносит шум и флуктуации, которые могут ухудшить качество вычислений. Квантовая батарея, которая заряжается и разряжается в соответствии с теми же квантовыми правилами, что и процессор, могла бы обеспечивать более стабильную подачу энергии, минимизируя помехи и повышая стабильность системы.

Помимо квантовой механики, исследователи видят возможности ее применения в других областях. электромобилиВ долгосрочной перспективе водители электромобилей смогут заряжать свои транспортные средства гораздо быстрее, чем сегодня заправляют бензобак, что значительно снизит один из главных барьеров на пути к внедрению. Если бы явление суперабсорбции можно было применить к устройствам большой емкости, время ожидания на зарядных станциях можно было бы сократить до минут или даже секунд.

Еще одним привлекательным вариантом применения было бы... беспроводная зарядка на большом расстоянииПоскольку прототип заряжается лазерным светом, вполне логично представить системы, которые будут доставлять направленную энергию к удаленным устройствам, датчикам IoT, имплантируемому медицинскому оборудованию или даже дронам и промышленным роботам. Очевидно, что необходимо будет решить вопросы безопасности и эффективности, но тот факт, что основной механизм работает с фотонами, открывает возможности, труднодостижимые при использовании традиционной магнитной индукции.

Также упоминаются возможные варианты применения в портативных и носимых устройствах, где целью является не столько хранение огромного количества энергии, сколько... заряжается очень быстро и с минимальными помехами. Представьте себе наушники, умные часы или очки дополненной реальности, которые заряжаются за считанные секунды без необходимости подключения к кабелю, используя управляемые световые лучи в закрытых помещениях, таких как офисы или дома.

В промышленной и инфраструктурной среде, если когда-нибудь будут созданы прототипы с более длительным временем хранения и высокой емкостью, квантовые батареи могут быть интегрированы в различные объекты. умные электрические сети а также системы поддержки возобновляемой энергетики, выступающие в качестве узлов сверхбыстрого реагирования на пиковый спрос или внезапные изменения в выработке солнечной или ветровой энергии. Однако для этого сначала потребуется несколько гигантских скачков в материалах, инженерии и масштабировании.

Нерешенные задачи и перспективы развития

Команда CSIRO и участвующие университеты очень открыто говорят о том, что еще предстоит сделать. Следующий приоритетный технический шаг – продление срока хранения энергии в устройстве. Переход от наносекунд к микросекундам, миллисекундам и, в конечном итоге, к масштабам, сопоставимым с потребностями реальной электроники, является, пожалуй, самой сложной задачей, поскольку он включает в себя поддержание квантовой когерентности в течение гораздо более длительных периодов времени без разрушения коллективного состояния окружающей средой.

Параллельно это будет необходимо масштабировать размер устройства Помимо существующих органических микрополостей, при сохранении эффекта сверхпоглощения, по мере увеличения числа молекул и расширения структуры могут возникать новые эффекты разупорядочения, оптические потери и проблемы производства, которые в настоящее время лишь предполагаются в ходе моделирования. Для решения этих проблем потребуются достижения в материаловении, интегрированной фотонике и методах наноизготовления.

Также еще предстоит детально количественно оценить этот аспект. общая энергоэффективность Система должна учитывать: сколько энергии подается на лазер, сколько фактически попадает в резонатор, сколько теряется в виде тепла или спонтанного излучения и сколько в конечном итоге восстанавливается в виде электрического тока. Чтобы конкурировать с зрелыми технологиями, квантовая батарея должна будет продемонстрировать не только свою сверхбыструю работу, но и то, что энергия, которую она обрабатывает, используется достаточно эффективно.

Помимо чисто физических принципов, существуют проблемы, связанные с выходом на рынок: разработка воспроизводимых и масштабируемых производственных процессов, определение стандартов безопасности для лазерной зарядки, интеграция этих устройств с существующей электроникой и, конечно же, чтобы сделать затраты приемлемыми По сравнению с альтернативами, такими как литий, проточные батареи или тепловые накопители, ожидается, что квантовые батареи будут занимать определенные ниши (например, квантовые вычисления или критически важные приложения) по крайней мере в течение длительного времени, прежде чем выйдут на массовый рынок.

Между тем, рынок систем хранения энергии останется разнообразным. Такие технологии, как... песчаные батареи Для недорогого хранения тепловой энергии уже близки к коммерциализации органические проточные батареи без лития для домашнего использования или новые натриево-серные соединения для стационарных применений. Квантовая батарея становится одним из передовых элементов этой головоломки, особенно в нише сверхбыстрой и беспроводной зарядки, когда — и если — она достаточно созреет.

Взятые вместе, первые функциональные квантовые батареи демонстрируют, что идея, которая казалась почти теоретической причудой, может быть реализована в реальном устройстве, способном на разорвать классическую зависимость между размером и временем загрузкиНесмотря на то, что их нынешняя емкость ничтожно мала, а период хранения крайне короткий, сам факт завершения цикла заряда, удержания и разряда при комнатной температуре меняет представление о возможностях в области хранения энергии. Отныне дискуссия сводится не к вопросу о том, могут ли работать квантовые батареи, а к тому, сколько времени и сколько достижений потребуется, чтобы они перестали быть лабораторным экспериментом и начали влиять на то, как мы заряжаем наши устройства и обеспечиваем энергией инфраструктуру будущего.