Wyobraź sobie sytuację: spóźniasz się na ważne spotkanie, a Twój telefon właśnie się rozładował. Brzmi znajomo? Zamiast nerwowo szukać ładowarki czy powerbanku, co jeśli istniałby sposób, aby naładować go niemal w mgnieniu oka, wykorzystując zasady fizyki kwantowej?
To nie science-fiction. Moi koledzy z CSIRO pracują nad prototypami baterii kwantowych. To, co odkryli, może całkowicie zmienić nasze postrzeganie ładowania urządzeń.
Sekrety świata kwantowego
O ile masz pojęcie o dziwacznych zjawiskach kwantowych, takich jak superpozycja czy splątanie, wiesz, że dotyczą one głównie najmniejszych obiektów. Ale te same zasady, które pozwalają komputerom kwantowym rozwiązywać problemy niemożliwe dla klasycznych maszyn, mogą mieć też inne, zaskakujące zastosowania.
Zbiorowe efekty kwantowe: szybsze ładowanie dzięki współpracy
Jedną z najbardziej fascynujących cech świata kwantowego są tzw. "efekty zbiorowe". To właśnie one nadają bateriom kwantowym ich unikalne właściwości. Okazuje się, że jednostki magazynujące energię w bateriach kwantowych, w odpowiednich warunkach, nie działają samodzielnie.
Zamiast tego, zachowują się zbiorowo. Co więcej, wbrew intuicji, jednoczesne ładowanie wielu jednostek jest szybsze niż ładowanie każdej z osobna.
Wyobraź sobie, że Twoja bateria kwantowa ma N jednostek, a każda z nich normalnie ładuje się przez sekundę. Dzięki efektom zbiorowym, jeśli naładujesz je wszystkie naraz, każda z nich potrzebuje zaledwie 1/√N sekundy. To oznacza, że im większa bateria kwantowa, tym krótszy czas ładowania.
Gdyby bateria podwoiła swoją wielkość, czas ładowania skróciłby się nieznacznie ponad połowę. To tak, jakby każda jednostka "wiedziała" o obecności innych i dzięki temu ładowała się szybciej. Dziwne, prawda?
To radykalna zmiana w porównaniu do tradycyjnych baterii. Większe baterie zazwyczaj ładują się dłużej. Dlatego Twój smartfon potrzebuje godziny, a Twój samochód elektryczny – całej nocy.
Od teorii do prototypu: pierwszy krok do niemal natychmiastowego ładowania
Idea baterii kwantowej przez długi czas była jedynie teoretyczną ciekawostką. Jednak w 2018 roku, grupa naukowców postanowiła udowodnić, że można je faktycznie zbudować.
W 2022 roku, zespół badaczy z Wielkiej Brytanii i Włoch, wspólnie z naukowcami z CSIRO, zbudował pierwszy prototyp baterii kwantowej. Użyto do tego organicznej mikrokawerny – skomplikowanej, wielowarstwowej "kanapki" z różnych materiałów, która w specyficzny sposób pułapkuje światło.
Co najważniejsze, udało im się po raz pierwszy zademonstrować egzotyczne zachowanie: większe baterie kwantowe faktycznie ładują się w krótszym czasie. Wykazano, że czas ładowania maleje zgodnie ze wzorem 1/√N, gdzie N to liczba cząsteczek w baterii. Im więcej cząsteczek, tym szybciej energia się gromadziła – dokładnie tak, jak przewidywała teoria.
Kolejny krok: wydobycie energii
Pierwszy prototyp nie miał jednak możliwości wyciągania zgromadzonej energii. W najnowszych badaniach, opublikowanych w czasopiśmie "Light: Science & Applications", dodano dodatkowe warstwy, które przekształcają energię w prąd elektryczny. To kluczowy krok w kierunku praktycznego zastosowania baterii kwantowych.
Co jeszcze czeka nas w przyszłości?
Dlaczego więc baterii kwantowych nie znajdziemy jeszcze w sklepach? Obecnie ich pojemność jest bardzo mała (kilka miliardów elektronowoltów), a czas utrzymywania ładunku – znikomo krótki (kilka nanosekund). Oznacza to, że są one za małe, by zasilać np. smartfony.
Jednakże, baterie kwantowe mogą okazać się idealnym rozwiązaniem dla urządzeń kwantowych, takich jak komputery kwantowe. W rzeczywistości, mogą stanowić brakujący element, który pozwoli na rozwój komputerów kwantowych na większą skalę i uczyni je praktycznymi.
Trwają prace nad zwiększeniem rozmiaru prototypu i wydłużeniem czasu przechowywania ładunku. Naukowcy liczą na stworzenie hybrydowego rozwiązania, łączącego błyskawiczne ładowanie baterii kwantowej z długotrwałym przechowywaniem energii przez baterię klasyczną.
Postęp, jaki udało się osiągnąć, jest świadectwem stuletniej pracy teoretycznej uczonych kwantowych. Nasza pierwsza bateria prototypowa utrzymywała ładunek przez nanosekundy. Pierwszy lot braci Wright trwał niewiele dłużej. Postęp wymaga czasu – ale baterie kwantowe z pewnością są na naszym horyzoncie.
A Ty, jak często zdarza Ci się zostać bez naładowanego telefonu w najmniej odpowiednim momencie?
