Квантова батарея світового рівня заряджається швидше, коли вона більша, але вона наномірна й працює лише наносекунди

(MENAFN- The Conversation) Ви запізнилися на важливу зустріч. Щойно ви виходите з дому, як раптом усвідомлюєте, що ваш телефон розрядився.

Уявіть, що ви можете майже миттєво зарядити його, використовуючи дивні правила квантової фізики. Це обіцяють квантові батареї.

Мої колеги та я в CSIRO розробили перші у світі прототипи квантових батарей — і напрямок розвитку цієї технології дивує.

Колективні квантові ефекти

Можливо, ви чули про дивні квантові явища суперпозиції та заплутаності, які дозволяють дуже малі об’єкти поводитися дуже дивно. Вони також можуть дозволити квантовим комп’ютерам розв’язувати задачі, які не під силу звичайним.

Однією з дивних особливостей квантового світу є так звані «колективні ефекти». Саме вони надають квантовим батареям їх унікальні властивості.

За правильних умов, енергозберігаючі елементи квантових батарей не діють поодинці, а поводяться колективно. У контрінтуїтивному повороті це означає, що елементи заряджаються швидше разом, ніж якщо б вони заряджалися окремо.

Припустимо, у вашої квантової батареї N елементів збереження, і кожен елемент потребує одну секунду для зарядки. Колективні ефекти означають, що якщо всі елементи заряджаються одночасно, кожен з них зарядиться лише за 1∕√N секунд.

Це означає, що чим більша ваша квантова батарея, тим менше часу потрібно для її зарядки. Якщо вона подвоїться у розмірі, зарядка займе трохи більше ніж половину часу.

Наче кожен елемент якось знає, що навколо є інші елементи, і їх присутність прискорює зарядку. Дивно, правда?

Це радикально відрізняється від роботи звичайних батарей, де більші батареї зазвичай потребують більше часу для зарядки. Саме тому зарядка мобільного телефону може зайняти годину, а електромобіль — всю ніч.

Створення квантової батареї

Ідея квантової батареї довгий час була лише теоретичним цікавим явищем. Але ще у 2018 році я почав доводити, що їх можна реально побудувати.

У 2022 році, працюючи з колегами у Великій Британії та Італії, ми створили прототип квантової батареї, використовуючи органічну мікрокамеру — своєрідний крихітний багатошаровий сендвіч з кількох різних матеріалів, що ловить світло особливим чином.

І нам вдалося вперше показати екзотичну поведінку, коли більші квантові батареї справді заряджаються швидше.

Ми довели, що час зарядки зменшується як 1∕√N, де N — кількість молекул у батареї. Чим більше молекул, тим швидше заряджається батарея — саме так передбачала теорія.

Що не було у першому прототипі — це спосіб витягти енергію з батареї. Для цього у нашому останньому дослідженні, опублікованому у журналі Light: Science & Applications, ми додали додаткові шари, які перетворювали енергію у електричний струм. Це важливий крок до створення практичної квантової батареї.

Прогрес ще попереду

Тож чому ми ще не бачимо квантові батареї у магазинах? Справа у тому, що ємність квантових батарей досі дуже мала (кілька мільярдів електрон-вольт), а час зберігання зарядженої енергії — дуже короткий (кілька наносекунд). Це означає, що квантові батареї поки що занадто малі, щоб живити звичайні пристрої, наприклад, ваш мобільний телефон.

Але квантові батареї можуть бути ідеальним рішенням для живлення квантових пристроїв, таких як квантові комп’ютери. Насправді, саме квантові батареї можуть стати тим рішенням, яке дозволить квантовим комп’ютерам працювати на більших масштабах і стати практичними.

Хоча у нас ще немає практичних квантових батарей, ми працюємо над масштабуванням нашого прототипу та подовженням часу зберігання енергії. Сподіваємося створити гібридний дизайн, що поєднає швидкість зарядки квантової батареї з довгим часом зберігання класичної.

Наш прогрес — свідчення століття теоретичних досліджень квантових учених, які передували нам.

Заряджання нашого першого прототипу тривало кілька наносекунд. Перший політ братів Райт тривав трохи довше. Прогрес потребує часу — але квантові батареї вже на горизонті.