Революція в енергетиці: як працюють квантові батареї і коли зможуть живити гаджети

Групи вчених по всьому світу працюють над технологією квантових акумуляторів, які краще триматимуть заряд, ніж звичайні. Видання Gizmodo пояснило, як такі батареї працюватимуть і коли з'являться.

Старі та нові батареї

Акумулятори — це досить велика сфера технологій, що використовують хімічні реакції для виробництва і зберігання електричної енергії. У побутових моделях електрика з'являється завдяки потоку електронів у ланцюзі. Для цього людство більш ніж за 200 років використовувало різні елементи, здебільшого кислоти та метали, і досі продовжує експериментувати зі складом батарейок.

У 1859 році з'явився свинцево-кислотний акумулятор, перший зі свого роду, здатний перезаряджатися шляхом зміни напрямку струму в системі. Такі досі використовуються в автомобілях із двигунами внутрішнього згоряння, але в інших сферах застосовуються рідко через велику вагу.

Наприкінці 20-го століття з'явилися легкі, компактні та ємні літій-іонні батареї, в яких літій поєднується з різними металами та фосфатами, а також рідкими електролітами. Вони стали дуже популярними і зараз живлять майже всі мобільні гаджети. Заковика в тому, що вони використовують той самий принцип хімічної реакції, який не змінювався жодного разу за всю історію.

Чим корисна квантова фізика

Тепер же їм на зміну йде квантовий принцип. Якщо коротко, то є особливий квантовий стан, де частинки поводяться зовсім інакше, ніж у звичайному світі. Перейти або відправити щось у цей стан можна тільки за екстремальних умов, наприклад у вакуумі або за дуже низької температури. Тоді одна частинка може діяти як кілька різних речей одночасно.

Ще є таке явище, як квантова заплутаність, коли квантові частинки визначають характеристики одна одної. У квантових комп'ютерах це дає змогу кодувати інформацію і набагато швидше її обробляти, ніж на звичайних. Але щойно якесь значення стає визначеним, квантовий стан припиняється, а система переходить у звичайний.

Як представляють квантові батареї зараз

За відповідних умов квантовий стан зберігається досить довго. Якщо правила квантової механіки вдасться застосувати до батарей, то вони зможуть заряджатися за лічені хвилини й утримувати заряд сотні років.

Як і звичайні, квантові акумулятори зможуть зберігати енергію, але їхній принцип роботи буде зовсім іншим. На відміну від хімічних реакцій, які одночасно заряджають і витрачають накопичену енергію батареї, квантові батареї живляться завдяки квантовій заплутаності або поведінці, що тісніше пов'язують батарею і її джерело.

"Квантові батареї складаються з безлічі квантових осередків, які діють як одна велика квантова батарея. Проблема полягає в тому, як зберегти квантові властивості протягом тривалого часу", — пояснив Джу-Ен Гім, квантовий фізик із Сеульського національного університету в Південній Кореї.

Вченим необхідно вирішити одну велику проблему, щоб нові батареї могли використовувати всі: як підтримувати їх у крихкому стані заплутаності за межами лабораторій. Рішенням може стати надпровідник, що працює за кімнатної температури, але таких поки що не відкрили.

Деякі просування в цьому напрямку вже є. Група з п'яти вчених нещодавно вирішила спробувати щастя в квантових системах, виведених з рівноваги. Дослідники помітили на колоквіумі, що квантова заплутаність пов'язана з тим, наскільки швидко енергія може зберігатися в квантових системах багатьох тіл.

Цей висновок підштовхнув розглядати квантові системи як пристрої зберігання енергії. У 2018 році та сама команда змоделювала квантову батарею Діке з твердотілою архітектурою, а у 2022 році вона протестувала базову структуру квантової батареї в лабораторних умовах з використанням мішені, дзеркал і лазерних променів.

Наприкінці 2023 року інша група дослідників запропонувала систему, за допомогою якої квантові батареї могли б заряджатися в невизначеному причинно-наслідковому порядку (indefinite causal order або or ICO). Згідно з їхніми висновками, такі системи можуть перевершити традиційні протоколи зарядки батарей.

"Ми побачили величезний приріст як в енергії, запасеної в системі, так і в термічному ККД. І, як це не парадоксально, ми виявили дивовижний ефект взаємодії, зворотний до того, що ви могли очікувати: зарядний пристрій меншої потужності може забезпечити вищу енергію з більшою ефективністю, ніж зарядний пристрій порівняно більшої потужності, який використовує той самий пристрій", — розповів автор дослідження Юаньбо Чен із Токійського університету (Японія) під час конференції.

Існують різні шляхи для реалізації такої футуристичної технології. Минулого місяця команда з Гданського університету та Університету Калгарі запропонувала квантову систему зарядки акумулятора, яка максимізує кількість енергії, збереженої в батареї, водночас мінімізуючи кількість енергії, що розсіюється (або втрачається) в процесі зарядки. Вона вирішила з'єднати квантову батарею і зарядний пристрій до неї одним резервуаром для підвищення ефективності передачі енергії. За оцінками команди, завдяки новому процесу зарядки акумулятор може зберігати вчетверо більше енергії, ніж при використанні звичайного зарядного пристрою.

За словами фізика Джеймса Куаха з Університету Аделаїди в Австралії, у звичайних батареях молекули й атоми працюють окремо, тоді як у квантових вони діють в унісон як хвиля. Завдяки цьому зарядка квантових акумуляторів більшої ємності займає набагато менше часу, якщо використовувати досить потужні зарядні пристрої.

"Наразі заряджання квантової батареї, яка зберігає близько мікроджоуля енергії протягом нано- і мілісекунд, займає від фемто до пікосекунд. Хоча це не здається великим терміном, насправді час його зберігання більш ніж у мільйон разів перевищує час заряджання. Для порівняння: це буде еквівалентно звичайній батареї, яка заряджається за кілька хвилин і здатна утримувати цей заряд упродовж сотень років", — каже вчений.

А деякі фізики припускають, що час зарядки квантової батареї обернено пропорційний кількості кубітів у системі. Тобто, чим більший сам акумулятор, тим швидше він заряджається.

Коли з'являться квантові батареї

Поки розробка квантових батарей перебуває в зародковому стані, хоча процес набирає обертів, і готові пристрої випустять на ринок ще не скоро. Найскладніше зберегти системи у квантовому стані при їхньому зменшенні.

Джеймс Куах вважає, що квантові батареї можна помістити в смартфони або автомобілі, але на актуальному етапі розвитку їм потрібні екстремально холодні та спокійні умови. Можливо, ядерний синтез з'явиться раніше. Якщо ж квантові акумулятори таки будуть створені, то можуть назавжди змінити збирання, доставлення та контроль енергії людством.

Раніше писали, що вчені з Японії та Китаю змогли зарядити квантову батарею, порушивши правила фізики. Ключову роль зіграв квантовий ефект невизначеного причинного порядку.