Bateriile bazate pe natura ondulatorie a particulelor încărcate ar putea revoluționa stocarea energiei, oferind posibilitatea de a acumula mai multă putere la un ritm mai rapid decât cel al celulelor electrochimice convenționale.
O echipă de fizicieni de la Universitatea Națională Cheng Kung a dezvoltat un nou protocol care ar putea transforma principiile de bază ale unei baterii cuantice cu încărcare rapidă într-un sistem practic. Acest protocol demonstrează modalități prin care superpoziția unei baterii poate fi utilizată pentru a stoca energie rapid și eficient, arată un ultim studiu publicat pe Physical Review Research.
Principiul fizicii cuantice
La baza fizicii cuantice se află principiul conform căruia toate particulele de materie au o identitate ondulatorie care se extinde prin spațiu și timp. Deși contraintuitivă pentru experiența noastră de zi cu zi, aceste unde reprezintă proprietățile unui obiect – fie el un electron, o moleculă, o pisică sau o planetă întreagă – ca un spectru de posibilități numit superpoziție.
În ultimii ani, cercetătorii au analizat dacă unul sau mai multe obiecte aflate în superpoziție au ceva în comun cu mișcarea haotică a materialelor încălzite într-un motor. Exploatarea acestui fenomen cuantic ar putea oferi noi modalități de transfer și stocare a energiei.
Implementarea practică a bateriilor cuantice
Transformarea teoriei motoarelor termice cuantice într-un dispozitiv funcțional necesită identificarea unor procese adecvate care să nu piardă multă energie. Echipa de cercetători a evaluat experimental două abordări pentru utilizarea superpoziției unei particule în încărcarea unei baterii cuantice ipotetice, pentru a determina dacă starea sa neclară transferă cu adevărat energie.
În locul unei baterii reale, echipa a folosit un ion prins într-o stare de superpoziție cunoscută sub numele de qubit, care poate câștiga energie în timp ce trece printr-un spațiu reflectorizant care constrânge tipurile de unde care trec prin el. Trimițând ionul printr-un dispozitiv care îi separa unda în două fascicule, echipa a comparat capacitatea bateriei de a stoca energie în timp ce undele separate treceau prin mai multe puncte de intrare într-o singură cavitate și apoi în mai multe cavități.
Eficiența încărcării cuantice
Rezultatele au arătat că superpoziția ionului permite o încărcare eficientă. Abordarea „multe uși, o singură cameră” a indus un efect de interferență care ar putea duce la ceea ce cercetătorii numesc „fenomen de încărcare perfectă”, permițând o conversie completă a energiei stocate în lucru din bateria cuantică în orice moment al procesului de încărcare.
Procesul a fost demonstrat ca fiind scalabil, cu efectul de interferență persistând chiar și atunci când mai mulți qubiți erau trimiși prin cavitate. Echipa a realizat experimentul pe platforma IBM Quantum și pe hardware-ul cuantic IonQ, demonstrând un concept de bază pentru protocolul lor și arătând că un sistem similar ar putea avea potențialul de a fi o metodă eficientă energetic de încărcare rapidă și extragere a energiei dintr-un sistem cuantic.
Un qubit care trece printr-un divizor de fascicul poate intra prin mai multe traiectorii în (a) mai multe cavități de ‘încărcare’ sau (b) o singură cavitate de ‘încărcare’. (Sursă: journals.aps.org)
Perspective pentru viitor
Deși un qubit poate simula fizica fundamentală, vor fi necesare noi metode pentru a transforma protocolul într-un sistem mai practic și asemănător unei baterii, ceea ce înseamnă că va mai dura ceva timp până când vom putea reîncărca vehiculele electrice într-o clipită.
Totuși, experimentul arată că nu există nimic în legile fizicii care să ne împiedice să exploatăm peisajul cuantic pentru stocarea energiei cu durată lungă și încărcare rapidă. Pe măsură ce lumea se îndepărtează de combustibilii fosili și caută modalități tot mai eficiente de stocare a energiei electrice generate de resursele regenerabile, bateriile robuste, care pot acumula rapid cantități semnificative de energie, vor deveni din ce în ce mai importante.
