Энергия из пустоты: квантовые батареи и их возможности

Современные аккумуляторы прошли долгий путь за свою 224-летнюю историю. С момента создания Вольтовой колонны Алессандро Вольта, состоящей из металлических дисков и тканевых прокладок, пропитанных рассолом, технологии значительно продвинулись вперёд. Сегодня аккумуляторы могут быть размером с крекер и работать несколько дней без подзарядки.

Однако каковы пределы нынешних технологий? Какие технические проблемы необходимо преодолеть для их усовершенствования? И что нас ждёт в будущем?

Некоторые учёные по всему миру работают над созданием аккумуляторов, которые используют законы квантовой физики для хранения заряда, а не классические физические принципы. Это амбициозная задача, которая требует много времени и усилий.

Основы батарей

Аккумулятор – это устройство, использующее химические реакции для производства электрической энергии. Домашние батареи вырабатывают электричество через поток электронов по цепи. За последние столетия было разработано множество видов батарей, начиная с первых экспериментов Бенджамина Франклина в 1749 году и заканчивая свинцово-кислотными батареями в 1859 году, которые могли перезаряжаться, изменяя направление тока в системе.

В конце 20-го века стали популярны литий-ионные батареи, использующие различные комбинации лития с другими металлами и фосфатами. Но принцип химической реакции, генерирующей электрическую энергию, остаётся неизменным.

Что такое «квант»?

Квантовая физика описывает поведение частиц в экстремальных условиях, таких как очень низкие температуры и вакуум. В этих условиях частицы могут одновременно существовать в нескольких состояниях, что делает их полезными для выполнения сложных математических операций и изучения возможности временных перемещений.

Квантовые системы могут также демонстрировать явление запутанности, при котором две или более квантовые частицы взаимозависимы. Например, в квантовых компьютерах атомы несут информацию, как биты в обычных компьютерах, но эти атомы называются кубитами.

Однако квантовые операции очень чувствительны. Как только значение в квантовой системе становится определённым, вся система возвращается в классическое состояние.

Квантовые батареи: принцип работы и вызовы

Квантовые батареи представляют собой новое направление в хранении энергии, основанное на принципах квантовой механики. В отличие от традиционных химических батарей, заряжающихся и разряжающихся за счет химических реакций, квантовые батареи используют явление квантовой запутанности для накопления и высвобождения энергии.

Квантовая батарея состоит из множества квантовых ячеек, объединенных в единую систему. Как поясняет Джу-Йон Гим, исследователь квантовых технологий из Сеульского национального университета: "Эти квантовые ячейки действуют как одна большая квантовая батарея, используя квантовую запутанность для хранения энергии".

Основная проблема в разработке квантовых батарей заключается в поддержании квантовых свойств системы, таких как запутанность, в течение достаточно длительного времени для практического использования. Квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям и могут быстро разрушаться.

Первые теоретические модели квантовых батарей были разработаны в 2018 году. А в 2022 году были проведены первые лабораторные эксперименты по созданию базовых структур квантовых батарей с использованием зеркал и лазерного света для генерации и управления квантовыми состояниями.

Недавние исследования показывают, что квантовые батареи могут заряжаться быстрее и эффективнее обычных. Например, в прошлом году группа учёных предложила систему зарядки, использующую так называемый "неопределённый причинный порядок" (ICO). Эти исследования показали, что такая система может заряжаться быстрее и более эффективно, чем традиционные методы.

Разные подходы к разработке квантовых батарей

Разные экспериментальные подходы к созданию квантовых батарей – как предложенные, так и реализованные – открывают различные пути для инноваций в дизайне этой футуристической технологии. В прошлом месяце команда из Университета Гданьска и Университета Калгари предложила систему зарядки квантовых батарей, которая максимизирует количество сохраняемой энергии и минимизирует её потери в процессе зарядки. Одной из особенностей их разработки является то, что квантовая батарея и её зарядное устройство соединены с одним резервуаром, создавая интерференционную картину, что улучшает эффективность передачи энергии между ними. Учёные считают, что батарея может сохранять в четыре раза больше энергии с помощью нового процесса зарядки по сравнению с традиционным зарядным устройством.

«Квантовые батареи действуют больше как волна, где молекулы или атомы действуют в унисон, в то время как в обычных батареях молекулы или атомы действуют больше как отдельные частицы», – сказал Джеймс Куач, исследователь квантовых технологий из Университета Аделаиды. «Это коллективное поведение и лежит в основе сверхбыстрой зарядки квантовых батарей, где для зарядки батарей большей ёмкости требуется меньше времени».

В 2022 году команда под руководством Куача испытала базовую модель квантовой батареи, поместив молекулярный краситель Lumogen-F Orange в небольшую полость и подвергнув его воздействию света, чтобы изучить, как он сохраняет энергию, передаваемую фотонами света. Команда обнаружила, что система заряжается невероятно быстро и что более крупные системы должны заряжаться быстрее.

«В настоящее время на зарядку квантовой батареи, хранящей около микроджоуля энергии, требуется от фемтосекунд до пикосекунд, а её время хранения составляет от наносекунд до миллисекунд», – сказал Куач. «Хотя это может не показаться долгим временем, его время хранения на самом деле более чем в миллион раз больше времени зарядки. Для сравнения, это эквивалентно обычной батарее, которая заряжается за минуты и может хранить заряд в течение сотен лет».

Как сообщает New Scientis t, некоторые физики предполагают, что время зарядки квантовой батареи обратно пропорционально количеству кубитов в системе; другими словами, чем больше батарея, тем быстрее она заряжается.

Перспективы квантовых батарей

Хотя исследования в области квантовых батарей набирают обороты, до коммерциализации этой технологии ещё далеко. Главная проблема заключается в том, чтобы сохранить квантовые системы в их состоянии при масштабировании. Несмотря на то, что эксперименты Джеймса Куача из Университета Аделаиды в 2022 году проходили при комнатной температуре, большинство квантовых систем требуют очень низких температур и беззвучных условий.

Тем не менее, потенциал квантовых батарей огромен. Они могут заряжаться быстрее и эффективнее классических устройств, что могло бы революционизировать хранение и использование энергии.

Исследования продолжаются, и возможно, в будущем квантовые батареи станут неотъемлемой частью повседневной жизни, обеспечивая нас мощным и долговечным источником энергии.