Квантовая батарея впервые в мире заряжается быстрее при увеличении размера Но она крошечная и работает только наносекунды

(MENAFN- The Conversation) Вы опаздываете на важную встречу. Как только вы выходите из дома, вы понимаете, что ваш телефон разряжен.

Представьте, что вы можете почти мгновенно зарядить его, используя странные законы квантовой физики. Это обещание квантовых батарей.

Мои коллеги и я из CSIRO разработали первые в мире прототипы квантовых батарей — и направление развития этой технологии удивляет.

Коллективные квантовые эффекты

Возможно, вы слышали о странных квантовых эффектах суперпозиции и запутанности, которые позволяют очень мелким объектам вести себя очень необычно. Они также могут позволить квантовым компьютерам решать задачи, которые не под силу классическим.

Одна из странных особенностей квантового мира — так называемые «коллективные эффекты». Именно они придают квантовым батареям их уникальные свойства.

При определённых условиях, элементы хранения энергии в квантовых батареях не действуют независимо, а ведут себя коллективно. В противоречие интуиции, это означает, что элементы заряжаются быстрее вместе, чем поодиночке.

Допустим, у вашей квантовой батареи есть N элементов хранения, и каждый элемент занимает одну секунду для зарядки. Коллективные эффекты означают, что если все элементы заряжаются одновременно, каждый элемент зарядится всего за 1∕√N секунд.

Это означает, что чем больше ваша квантовая батарея, тем меньше времени ей нужно для зарядки. Если она удваивается в размере, зарядка займет чуть больше половины времени.

Будто каждый элемент как бы знает о других и их присутствие ускоряет его зарядку. Странно, правда?

Это кардинально отличается от работы обычных батарей, где большие батареи обычно требуют больше времени для зарядки. Поэтому, например, зарядка мобильного телефона может занять час, а электромобиль — всю ночь.

Создание квантовой батареи

Идея квантовой батареи долгое время оставалась лишь теоретической загадкой. Но в 2018 году я решил показать, что их реально можно создать.

В 2022 году, работая с коллегами из Великобритании и Италии, мы создали прототип квантовой батареи с использованием органической микрокамеры — это своего рода крошечный, сложный многослойный «бутерброд» из различных материалов, который ловит свет особым образом.

И впервые смогли продемонстрировать экзотическое поведение, при котором большие квантовые батареи действительно требуют меньше времени для зарядки.

На самом деле, мы показали, что время зарядки уменьшается как 1∕√N, где N — число молекул в нашей батарее. Чем больше молекул, тем быстрее она заряжается — точно так, как предсказывала теория.

Одним из недостатков первого прототипа было отсутствие способа извлечь энергию. Для этого, в нашем последнем исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, мы добавили дополнительные слои в устройство, которые преобразуют энергию в электрический ток. Это важный шаг к созданию практической квантовой батареи.

Дальнейшие шаги

Почему же мы ещё не видим квантовые батареи в магазинах? Причина в том, что их ёмкость всё ещё очень мала (несколько миллиардов электрон-вольт), а время хранения — очень короткое (несколько наносекунд). Это значит, что квантовые батареи пока слишком малы, чтобы питать обычные устройства, такие как мобильные телефоны.

Но квантовые батареи могут идеально подойти для питания квантовых устройств, например, квантовых компьютеров. На самом деле, именно они могут стать решением, которое позволит квантовым компьютерам работать на больших масштабах и стать практическими.

Хотя у нас ещё нет практических квантовых батарей, мы работаем над увеличением их размера и продлением времени хранения энергии. Надеемся создать гибридный дизайн, сочетающий быструю зарядку квантовой батареи с долгим временем хранения классической.

Наш прогресс — результат века теоретической работы квантовых учёных до нас.

Зарядка первого прототипа длилась всего несколько наносекунд. Первое полёте братьев Райт длилось чуть дольше. Прогресс требует времени — но квантовые батареи уже на горизонте.