بطارية كمومية عالمية أولى تشحن بشكل أسرع عندما تصبح أكبر لكنها صغيرة جداً وتستمر فقط لجزء من الثانية

(MENAFN- The Conversation) أنت متأخر عن موعد مهم. وأنت تخرج من منزلك، تدرك أن هاتفك فارغ البطارية.

تخيل أن بإمكانك شحنه تقريبًا على الفور من خلال استغلال القواعد الغريبة لفيزياء الكم. هذا هو وعد البطاريات الكمومية.

لقد طور زملائي وأنا في CSIRO نماذج أولية للبطاريات الكمومية في العالم – والاتجاه الذي اتخذته التكنولوجيا مفاجئ.

التأثيرات الجماعية الكمومية

ربما سمعت عن التأثيرات الكمومية الغريبة مثل التراكب والتشابك، التي تسمح للأجسام الصغيرة جدًا بالسلوك بشكل غريب جدًا. كما أنها قد تتيح للحواسيب الكمومية حل المشكلات التي لا تستطيع الحواسيب التقليدية حلها.

واحدة من الميزات الغريبة لعالم الكم هي ما يُسمى بـ"التأثيرات الجماعية". وهي التي تمنح البطاريات الكمومية خصائصها الفريدة.

تحت ظروف مناسبة، لا تتصرف وحدات التخزين في البطارية الكمومية بشكل فردي، بل تتصرف بشكل جماعي. وفي تطور غير بديهي، هذا يعني أن الوحدات تشحن بشكل أسرع معًا مما لو كانت تشحن بمفردها.

لنفترض أن بطاريتك الكمومية تحتوي على N وحدة تخزين، وكل وحدة تستغرق ثانية واحدة للشحن. فالتأثيرات الجماعية تعني أنه إذا تم شحن جميع الوحدات معًا، فإن كل وحدة ستستغرق فقط 1∕√N ثانية للشحن.

هذا يعني أنه كلما زاد حجم بطاريتك الكمومية، قل الوقت اللازم لشحنها. وإذا تضاعف حجمها، فإن الشحن سيستغرق فقط أكثر بقليل من نصف الوقت.

وكأن كل وحدة تعرف بطريقة ما أن هناك وحدات أخرى حولها، ووجودها يجعلها تشحن بشكل أسرع. غريب، أليس كذلك؟

هذا يختلف تمامًا عن طريقة عمل البطاريات التقليدية، حيث عادةً ما تستغرق البطاريات الأكبر وقتًا أطول للشحن. لهذا السبب، قد يستغرق شحن هاتفك المحمول ساعة، بينما يحتاج سيارتك الكهربائية إلى الليل كله.

بناء بطارية كمومية

كانت فكرة البطارية الكمومية مجرد فضول نظري لفترة طويلة. لكن في عام 2018، شرعت في إثبات أنه يمكن بناؤها فعليًا.

في عام 2022، وبالعمل مع زملاء في المملكة المتحدة وإيطاليا، بنينا نموذجًا أوليًا لبطارية كمومية باستخدام حجرة ميكروية عضوية – نوع من الساندويتش الصغير والمعقد من عدة مواد مختلفة يحبس الضوء بطريقة معينة.

وأتمكنا من إظهار لأول مرة السلوك الغريب حيث أن البطاريات الكمومية الأكبر فعلاً تستغرق وقتًا أقل للشحن.

في الواقع، أظهرنا أن زمن الشحن يقل بنسبة 1∕√N، حيث N هو عدد الجزيئات في بطاريتنا. وكلما أضفنا جزيئات أكثر، زادت سرعة الشحن - تمامًا كما تنبأت النظرية.

ما لم يكن موجودًا في هذا النموذج الأولي هو وسيلة لاستخراج الطاقة منه. لذلك، في دراستنا الأخيرة، التي نُشرت في مجلة Light: Science & Applications، أضفنا طبقات إضافية إلى جهازنا حولت الطاقة إلى تيار كهربائي. وهذا يمثل خطوة مهمة نحو بطارية كمومية عملية.

التقدم لا يزال مطلوبًا

فلماذا لا نرى البطاريات الكمومية في المتاجر بعد؟ حسنًا، سعة البطاريات الكمومية لا تزال صغيرة جدًا (بضع مليارات إلكترون فولت)، ومدة احتفاظها بالشحن قصيرة جدًا (بضع نانوثواني). هذا يعني أن البطاريات الكمومية لا تزال صغيرة جدًا لتشغيل الأجهزة التقليدية مثل هاتفك المحمول، على الأقل في الوقت الحالي.

لكن، قد تكون البطاريات الكمومية مثالية لتشغيل الأجهزة الكمومية مثل الحواسيب الكمومية. في الواقع، قد تكون البطاريات الكمومية الحل الدقيق الذي تحتاجه الحواسيب الكمومية للعمل على نطاق أوسع وتصبح عملية.

على الرغم من أننا لا نمتلك بعد بطاريات كمومية عملية، إلا أننا نعمل حاليًا على طرق لتكبير حجم النموذج الأولي الخاص بنا وإطالة مدة احتفاظه بالشحن. نأمل في إنشاء تصميم هجين يجمع بين سرعة الشحن الاستثنائية للبطارية الكمومية ومدة التخزين الطويلة للبطارية التقليدية.

الإنجازات التي حققناها هي شهادة على قرن من العمل النظري الذي قام به علماء الكم قبلنا.

شحنة بطارية النموذج الأولي استمرت لنانثوانٍ. واستمرت رحلة الطيران الأولى للوي brothers لفترة قصيرة أكثر قليلاً. التقدم يتطلب وقتًا – لكن البطاريات الكمومية بالتأكيد على أفقنا.