L bateri kuantike Ato janë shndërruar në një kohë shumë të shkurtër nga një ide pothuajse fantastiko-shkencore në prototipa të vërteta laboratorike. Ato që deri vonë ishin modele në tabela të bardha dhe simulime, tani janë pajisje fizike të afta të për të ngarkuar, ruajtur energjinë dhe shkarkuar atë në kohë që bien ndesh plotësisht me atë që ne e kuptojmë si një bateri konvencionale.
Një grup studiuesish australianë, së bashku me ekipe nga Evropa dhe Azia, kanë arritur të zhvillojnë... Prototipi i parë funksional i një baterie kuantikeNjë sistem i vogël që karikohet në femtosekonda dhe ruan energji për nanosekonda, duke demonstruar se kjo teknologji nuk është vetëm teorike. Edhe pse ka ende shumë për të bërë para se të mund të furnizojë me energji një telefon celular ose një makinë, ajo që është arritur hap derën për karikim pothuajse i menjëhershëm, efikasitet i lartë dhe jetëgjatësi e madhe në aplikimet e ardhshme.
Çfarë është saktësisht një bateri kuantike dhe si ndryshon ajo nga një bateri konvencionale?
Ndryshe nga një bateri tradicionale litiumi, e cila ruan energji falë reaksione kimike oksido-reduktueseNjë bateri kuantike bazohet në rregullat e mekanikës kuantike. Në vend që të lëvizë jonet midis elektrodave me një elektrolit, ajo përdor atome, molekula, pika kuantike ose qarqe superpërçuese si qeliza të vogla energjie që mund të ekzistojnë në disa gjendje njëkohësisht.
Këto qeliza kuantike mund të vendosen në një gjendje e ngazëllyer Kur ato thithin energji, për shembull, në formën e fotoneve të dritës, ajo energji ruhet në konfigurimin elektronik të sistemit, si një elektron që hidhet në një orbitë me energji më të lartë. Më vonë, ajo energji mund të lirohet përsëri, zakonisht në formën e fotone ose rrymë elektrikevarësisht nga mënyra se si është projektuar pajisja.
Çelësi është se këto bateri mbështeten në fenomene të tilla si mbivendosja, ndërthurja dhe koherenca kuantikeNë vend që çdo qelizë të veprojë në izolim, sistemi sillet si një entitet i vetëm kuantik kolektiv. Kjo sjellje kolektive është ajo që zhbllokon kohë ultra të shpejta karikimi dhe një efikasitet që është e vështirë të krahasohet me elektronikën klasike.
Ndërsa në një bateri konvencionale, kapaciteti dhe koha e karikimit shkojnë dorë për dore - më shumë kapacitet do të thotë më shumë kohë për ta mbushur atë - në një bateri kuantike po eksplorohet e kundërta: Sa më shumë kapacitet të ketë sistemi, aq më shpejt mund të ngarkohet.Kjo ide, e cila në shikim të parë duket e pakuptimtë, bazohet në koncepte kuantike që bien ndesh me intuitën që kemi në jetën tonë të përditshme.
Një tjetër ndryshim i rëndësishëm është degradimi. Bateritë aktuale vuajnë nga konsumimi me çdo cikël: ato Humbet kapacitetin, rritet rezistenca e brendshme Dhe lindin probleme sigurie. Propozimet për bateri kuantike, duke mos u varur nga proceset kimike, synojnë të të zvogëlojë degradimin në nivele pothuajse të papërfillshmeKjo do të rezultonte në pajisje me një jetëgjatësi gjigante krahasuar me standardin aktual.
Konceptet kryesore kuantike: mbivendosja, ngatërresa dhe superthithja
Për të kuptuar pse një bateri kuantike mund të karikohet kaq shpejt, duhet të shqyrtojmë tre ide themelore nga fizika kuantike: mbivendosje, ngatërrim dhe efekte kolektive siç është superabsorbimiNuk ka nevojë të futesh në matematikë të ndërlikuar, por duhet të pranosh se, në shkallën nënatomike, gjërat nuk funksionojnë në të njëjtën mënyrë si në botën makroskopike.
Në superpozicion, një sistem kuantik mund të jetë në disa gjendje energjie në të njëjtën kohë derisa të matet. Kjo lejon, në teori, që një bateri kuantike të ruajë energjinë në një lloj kombinimi të shumë niveleve të energjisë njëkohësisht, duke rritur dendësinë e energjisë që mund të akumulohet në një vëllim shumë të vogël.
Ngatërresa është një fenomen edhe më kundërintuitiv: disa grimca ose qeliza kuantike sillen sikur të ishin një sistem i vetëm i pandashëmAjo që i ndodh një qelize ndikon menjëherë te pjesa tjetër, edhe nëse ato janë të ndara. Në kontekstin e një baterie, kjo lejon qelizat e ruajtjes bashkëpunojnë me njëra-tjetrën gjatë ngarkimit dhe shkarkimit, në vend që të punojnë në mënyrë të pavarur.
Nga ai bashkëpunim lind e ashtuquajtura superthithjeNë një sistem klasik, nëse shtojmë më shumë molekula ose qeliza, aftësia për të thithur energji rritet në mënyrë lineare: dyfishi i numrit të qelizave, dyfishi i thithjes. Në një sistem kuantik të ngatërruar dhe koherent, thithja mund të rritet në një mënyrë që... superlineare ose superekstensiveNdërsa numri i qelizave rritet, fuqia e karikimit rritet më shpejt se madhësia e sistemit.
Kjo do të thotë që një bateri kuantike më e madhe mund të karikohet edhe më shpejt se një i vogëlMolekulat pushojnë së sjelluri si kube individuale në shi dhe në vend të kësaj funksionojnë si një lloj "supermolekule" që kap energjinë e dritës me efikasitet shumë më të madh. Ky është ndryshimi i paradigmës që e bën këtë teknologji kaq tërheqëse për energjinë e së ardhmes.
Prototipi i parë funksional: mikrokavitet organik australian
Demonstrimi më i prekshëm i gjithë kësaj vjen nga ekipi i udhëhequr nga James Quach dhe Kieran Hymas, të lidhur me CSIRO dhe Universitetin e Adelaides. Pas disa vitesh pune me modele dhe prototipa të pjesshme, ata kanë arritur të ndërtojnë një bateri kuantike operative e aftë të përfundojë një cikël të plotë ngarkimi, ruajtja dhe shkarkimi i energjisë.
Pajisja juaj bazohet në një mikrokavitet organikKjo mund të imagjinohet si një sanduiç i vogël me materiale të grumbulluara me kujdes. Në zemër të sistemit është një shtresë shumë e hollë e një gjysmëpërçues molekular me masë të ulët të shpërndarë në një matricë polimeriKjo shtresë aktive depozitohet duke përdorur teknika precize, të tilla si veshja me spin, dhe vendoset midis dy pasqyrave dielektrike që formojnë zgavrën optike.
Funksioni i kësaj mikrokavitete është të detyrojë një lidhje e fortë midis dritës dhe materiesKur fotonet hyjnë në zgavër, ato bllokohen duke u kërcyer midis pasqyrave dhe kombinohen me gjendjet e ngacmuara të molekulave organike, duke shkaktuar gjendje hibride dritë-materie. Në këtë gjendje, molekulat pushojnë së vepruari në mënyrë të pavarur dhe bëhen... lëkunden dhe thithin energjinë në një mënyrë të koordinuar.
Në eksperimentet e mëparshme, i njëjti grup kishte demonstruar tashmë se, kur rrit madhësinë e zgavrës dhe numrin e molekulaveKoha e karikimit u zvogëlua falë superthithjes. Megjithatë, këto prototipa kishin një kufizim kryesor: ato nuk ishin të afta të nxjerrin energjinë e ruajtur dhe e shndërrojnë atë në rrymë elektrike të dobishmeMe fjalë të tjera, ato u karikuan, por nuk funksionuan si një bateri e plotë.
Puna e re e botuar në revistën Light: Science & Applications zgjidh këtë pengesë. Ekipi ka shtuar shtresa shtesë për transportin e ngarkesave brenda strukturës, duke lejuar që energjia eksitonike të mblidhet dhe të transformohet në një rrymë elektrike të matshme. Në këtë mënyrë, pajisja pushon së qeni thjesht një "rezervuar drite" dhe bëhet një Bateri kuantike funksionale në temperaturën e dhomës.
Shpejtësi ekstreme ngarkimi dhe kufizime aktuale të prototipit
Një nga karakteristikat më të habitshme të këtij prototipi është koha e karikimit. Bateria karikohet në pak minuta. femtosekondaDomethënë, në një interval ekuivalent me një të miliontën e një triliontë të sekondës. Për t'ju dhënë një ide, nëse do ta përkthenim këtë performancë në një bateri për përdorim të përditshëm, do të flisnim për karikim pothuajse i menjëhershëm për telefona celularë, kompjuterë ose makina elektrike.
Në ekstremin tjetër, koha e demonstruar e ruajtjes është në shkallën e nanosekondaafërsisht një milion herë më shumë se koha e karikimit. Quach zakonisht e shpjegon me një analogji të thjeshtë: nëse bateria karikohet në një minutë me të njëjtën shpejtësi, ajo mund të ruaj ngarkesën për vite me radhëËshtë një mënyrë grafike për të ilustruar avantazhin e madh në aspektin e raportit midis kohës së ngarkimit dhe kohës së ruajtjes, edhe pse jemi ende në një sistem të vogël.
Problemi është se sasia absolute e energjisë së ruajtur Është ende shumë e ulët. Po flasim për urdhra madhësie prej miliarda elektronvoltësh, një shifër që tingëllon e fuqishme, por, në terma praktikë, nuk është praktikisht asgjë. Nuk mjafton për të furnizuar me energji as pajisjen më të thjeshtë elektronike që përdorim çdo ditë.
Për më tepër, fakti që Koherenca kuantike humbet në nanosekonda Kjo kufizon rrënjësisht zbatimet e menjëhershme. Mbajtja e një sistemi kuantik të izoluar nga dridhjet, luhatjet termike dhe fushat e jashtme është një sfidë e madhe. Kjo "dekoherencë" është armiku i madh i të dyjave. bateri kuantike si me kompjuterët kuantikë, dhe na detyron të punojmë për momentin në shkallë mikroskopike dhe në mjedise shumë të kontrolluara.
E gjithë kjo i bën vetë studiuesit të jenë të kujdesshëm në premtimet e tyre. Ata pranojnë se, megjithëse prototipi është një provë thelbësore e konceptit, ne jemi ende larg të shohim bateri kuantike në makina elektrike, telefona celularë ose sisteme shtëpiakeHapat e ardhshëm përfshijnë rritjen e madhësisë së pajisjes, përmirësimin e arkitekturës së zgavrës dhe mbi të gjitha, zgjasin kohën e ruajtjes së energjisë pa humbur avantazhet e superthithjes.
Zbatimet më të afërta: kompjuterë kuantikë dhe pajisje me precizion të lartë
Ku kjo teknologji mund të ketë ndikimin më të menjëhershëm është në fushën e informatikë kuantikeKëta kompjuterë funksionojnë duke përdorur kubite që duhet të kontrollohen me saktësi ekstreme dhe shpesh në temperatura shumë të ulëta. Të kesh një burim energjie të bazuar në të njëjtat parime kuantike që rregullojnë logjikën e procesorit mund të ofrojnë përparësi të konsiderueshme.
Disa studime teorike sugjerojnë që bateritë kuantike mund të jenë pjesa që mungon për të shkallëzuar kompjuterët kuantikë drejt madhësive të dobishme industrialisht. Duke ofruar shpërthime energjie të sinkronizuara në mënyrë të përkryer me gjendjet kuantike të kubitëve, ata mund të zvogëloni humbjet, përmirësoni stabilitetin dhe optimizoni kontrollin nga algoritmet më komplekse.
Përdorimet po merren në konsideratë edhe në sistemet që kërkojnë shkarkime shumë të shpejta të energjisë në afate kohore ultra të shkurtra, siç janë disa lloje sensorësh kuantikë, pajisje mjekësore shumë të sofistikuara, apo edhe elementë komunikimi dhe satelitorë ku koha dhe fuqia në kulme të shkurtra janë kritike.
Një tjetër aplikim interesant që është duke u eksploruar është karikim pa tela në distancëDisa dizajne, përfshirë një propozim të kohëve të fundit kinez, sugjerojnë përdorimin e fushat magnetike të gjeneruara nga tuba të vegjël metalikë brenda baterisë për të lejuar karikimin pa kontakt me degradim minimal. Në një skenar ideal, pajisje të tilla si dronët, makinat ose sensorët e shpërndarë në të gjithë qytetin mund të marrin fuqi të plotë operative pa pasur nevojë të ndaloni ose të kyçeni në prizë.
Duke imagjinuar kërcimin në një shkallë më të gjerë, mund të arrijmë në një pikë ku ora, stimulues kardiakë, telefona inteligjentë, laptopë ose automjete Ato do të karikoheshin brenda sekondash dhe do të kërkonin mirëmbajtje minimale gjatë gjithë jetëgjatësisë së tyre. Megjithatë, vetë ekspertët pranojnë se këto vizione, sado tërheqëse, duhen kapërcyer ende. sfida të mëdha teknike që po bëhen të zakonshme.
Sfidat teknike: dekoherenca, stabiliteti dhe shkallëzueshmëria e teknologjisë
Pengesa kryesore me të cilën përballen bateritë kuantike është ruajtja e gjendje kuantike koherente për një kohë të mjaftueshmeÇdo ndërveprim me mjedisin - dridhjet, ndryshimet e temperaturës, zhurma elektromagnetike - mund të shkatërrojë ndërthurjen delikate që e bën të mundur superthithjen. Ky proces, dekoherencëKjo bën që sistemi të kalojë nga sjellja kuantike kolektive në sjellje klasike dhe shumë më pak efikase.
Në eksperimentet aktuale, kohët e mbajtjes së energjisë maten në nanosekonda ose mikrosekondaKjo është e mjaftueshme për të demonstruar fizikën e fenomenit, por është vite dritë larg nga ajo që do të kërkonte një pajisje praktike, pasi duhet të ruajë energjinë për minuta, orë ose ditë. Zgjatja e këtyre kohërave pa humbur sjelljen kolektive kuantike është një nga fushat kryesore të kërkimit.
Një sfidë tjetër është shkallëzimi i teknologjisëNdërthurja e qëndrueshme e miliona ose miliarda qelizave kuantike nuk është çështje e parëndësishme. Kjo kërkon kontroll të shkëlqyer mbi fabrikimin e mikrozgavrave, materialeve organike ose superpërçuese dhe arkitekturën e valëpërçuesve ose qarqeve. Çdo defekt ose asimetri mund të prishë simetrinë e nevojshme që sistemi të hyjë në ekuilibër. gjendje e errët ose superthithëse dëshiruar.
Disa grupe, të tilla si ato në Universitetin e Pizës ose Universitetin Kërkimor PSL në Paris, po hetojnë përdorimin e qarqe superpërçuese me temperaturë të ulët për të zbatuar bateri kuantike. Këto materiale praktikisht nuk kanë rezistencë elektrike, gjë që ndihmon në minimizimin e humbjeve. Për momentin, propozimet e tyre mbeten teorike, por ato ofrojnë rrugë alternative të projektimit përtej mikrokaviteteve organike.
Përveç kësaj, ekziston edhe një problem i tretë: prodhim industrialKalimi nga një prototip laboratorik në shkallë mikrometri ose nanometri në pajisje komerciale të integruara në panele, makina ose rrjete elektrike kërkon zhvillimin e proceseve të prodhimit të përsëritshme, të lira dhe të fuqishme. Kjo përfshin zotërimin e depozitimit të filmit të hollë, integrimin me elektronikën klasike dhe kontrollin kuantik të cilësisë së materialit në shkallë të gjerë.
Kontributi i topologjisë dhe propozimet më të përparuara teorike
Krahas prototipeve eksperimentale, komuniteti shkencor po e rafinon teorinë për të gjetur dizajne për bateritë kuantike. më të fuqishme dhe efikase në kushte realeNjë shembull kryesor është puna e përbashkët e Qendrës RIKEN për Informatikën Kuantike dhe Universitetit të Shkencës dhe Teknologjisë Huazhong në Kinë, e cila propozon të përdorë konceptet e topologjisë për të përmirësuar transmetimin dhe ruajtjen e energjisë.
Topologjia është një degë e matematikës që studion vetitë e sistemeve që Ato nuk ndryshojnë nën deformime të vazhdueshmeI aplikuar në fotonikë dhe sisteme kuantike, lejon projektimin e strukturave, të tilla si valëpërçues fotonikë topologjikë, në të cilën energjia mund të lëvizë praktikisht pa humbje ose shpërndarje, edhe nëse mjedisi nuk është perfekt.
Analiza nga këta studiues tregon se një bateri kuantike e projektuar me valëpërçuesit fotonikë dhe atomet me dy nivele Mund të transferojë energji pothuajse në mënyrë të përsosur midis pjesëve të ndryshme të sistemit. Për më tepër, ato identifikojnë konfigurimet në të cilat pajisja është virtualisht imun ndaj shpërbërjes, një nga problemet kryesore kur bëhet fjalë për ruajtjen e koherencës dhe efikasitetit kuantik.
Ideja është që, duke përfituar nga vetitë topologjike, është e mundur të arrihet që energjia rrjedh përmes "kanaleve të mbrojtura" brenda baterisë, në mënyrë që defektet, papastërtitë ose ndryshimet e vogla në material të kenë një ndikim minimal. Edhe pse këto janë aktualisht rezultate teorike, ato ofrojnë një Një udhëzues i vlefshëm për projektimin e baterive kuantike topologjike të së ardhmes me karakteristika më të mira.
Sipas autorit të parë të asaj pune, Zhi-Guang Lu, këto propozime ndihmojnë në kapërcimin e kufizimeve praktike të baterive kuantike të shkaktuara nga transmetimi në distanca të gjata dhe shpërndarja e energjisëNëse këto ide mund të përkthehen në laborator, mund të shohim pajisje jashtëzakonisht efikase të ruajtjes së mikroenergjisë, të cilat luajnë një rol kyç në rrjetet e sensorëve, elektronika e integruar dhe informatika kuantike e shpërndarë.
Ndikim i mundshëm në energji dhe teknologji të ardhshme
Nëse të gjitha këto linja kërkimi realizohen, bateritë kuantike kanë potencialin të revolucionarizojnë ruajtjen e energjisë si në shkallë të vogël ashtu edhe në shkallë të madhe. Në lëvizshmërinë elektrike, për shembull, ato do të lejonin për të karikuar një makinë në një kohë të krahasueshme me mbushjen e një rezervuari benzine, duke eliminuar një nga pengesat kryesore aktuale për përdorimin masiv të automjeteve elektrike.
Në elektronikën e konsumit, një smartphone, një laptop ose një orë inteligjente mund të karikohet në... pyetja e sekondave dhe të funksionojnë për ditë ose javë, të gjitha praktikisht pa asnjë degradim gjatë viteve. Kjo do ta ndryshonte plotësisht marrëdhënien tonë me pajisjet, ku "ankthi i baterisë" nuk do të ishte më një problem i përditshëm.
Në fushat industriale dhe shkencore, bateritë kuantike mund të jenë perfekte për të furnizuar me energji sistemet që kërkojnë... majat e fuqisë shumë të përqendruara në kohë shumë të vogla: nga pajisjet e përparuara të rezonancës magnetike te përshpejtuesit e grimcave, sistemet e komunikimit satelitor ose instrumentet kritike të emergjencës.
Për më tepër, duke mos u varur nga elektrolite të ndezshme ose reaksione kimike komplekseKëto bateri do të ishin në thelb më të sigurta kundër defekteve, mbinxehjes ose qarqeve të shkurtra. Dhe, të kombinuara me mundësinë e karikimit pa tel nëpërmjet lazerëve ose fushave magnetike, ato do të hapnin derën për infrastrukturë energjie pa tel, ku energjia rrjedh drejt pajisjeve pothuajse në mënyrë të padukshme.
E gjithë kjo kontribuon në vizionin e një të ardhmeje më premtuese. i qëndrueshëm dhe efikasNjë sistem pothuajse perfekt i ruajtjes së energjisë, me humbje minimale dhe cikle praktikisht të pafundme, do ta zvogëlonte në mënyrë drastike nevojën për të prodhuar dhe ricikluar bateri me materiale kritike, dhe do të përshtatej shumë mirë me zgjerimi i energjive të rinovueshme, të cilët kanë nevojë për zgjidhje të gjithanshme dhe të shpejta magazinimi.
Megjithatë, deri më sot, vetë komuniteti shkencor këmbëngul se ne kemi nevojë një dekadë ose më shumë për të parë aplikimet e para të qarta komerciale të baterive kuantike në pajisjet elektronike të përditshme. Ndërkohë, do të shohim prototipe gjithnjë e më të sofistikuara, përmirësime në kohën e ruajtjes dhe dizajne hibride që kombinojnë shpejtësinë kuantike me kapacitetin e baterive klasike.
Me gjithë aktivitetin që po zhvillohet në laboratorët në Australi, Evropë dhe Azi, bateritë kuantike po e vendosin veten si një nga teknologjitë më premtuese në horizontin e energjisë: një fushë në të cilën drita, atomet dhe parimet më të çuditshme të fizikës kombinohen për të krijuar një skenar në të cilin Karikimi i një pajisjeje duhet të jetë pothuajse aq i menjëhershëm dhe i padukshëm sa ndezja e një drite..
