RW Space

Вы опаздываете на важную встречу. Выходя из дома, вы понимаете, что ваш телефон разряжен.

Представьте, что вы могли бы зарядить его почти мгновенно, воспользовавшись странными правилами квантовой физики. Это перспектива квантовых батарей.

Мои коллеги и я из CSIRO разработали первые в мире прототипы квантовых батарей – и направление, которое приняла технология, удивительно.

Коллективные квантовые эффекты

Возможно, вы слышали о своеобразных квантовых эффектах суперпозиции и запутанности, которые позволяют очень маленьким объектам вести себя очень странно. Они также могут позволить квантовым компьютерам решать проблемы, которые обычные компьютеры не могут решить.

Одной странной особенностью квантового мира являются так называемые «коллективные эффекты». Именно они придают квантовым батареям их уникальные свойства.

При определенных обстоятельствах накопители квантовых батарей действуют не индивидуально, а коллективно. Как ни странно, это означает, что устройства заряжаются быстрее, чем если бы они заряжались по отдельности.

Предположим, ваша квантовая батарея имеет N накопителей, и зарядка каждого устройства занимает одну секунду. Коллективные эффекты означают, что если все устройства заряжаются одновременно, зарядка каждого устройства займет всего 1∕√N секунд.

Это означает, что чем больше ваша квантовая батарея, тем меньше времени потребуется для зарядки. Если его размер увеличится вдвое, зарядка займет чуть больше половины времени.

Как будто каждый отряд каким-то образом знает, что рядом есть другие отряды, и их присутствие заставляет отряд заряжаться быстрее. Странно, правда?

Это радикально отличается от того, как работают обычные батареи, где батареям большего размера обычно требуется больше времени для зарядки. Вот почему для зарядки мобильного телефона может потребоваться час, а электромобилю — целая ночь.

Создание квантовой батареи

Идея квантовой батареи долгое время была всего лишь теоретической диковинкой. Но еще в 2018 году я решил продемонстрировать, что их действительно можно построить.

В 2022 году, работая с коллегами из Великобритании и Италии, мы создали прототип квантовой батареи, используя органическую микрополость – своего рода крошечный, сложный многослойный сэндвич из нескольких различных материалов, который улавливает свет определенным образом.

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

Фактически, нам удалось продемонстрировать, что время зарядки уменьшается на 1∕√N, где N — количество молекул в нашей батарее. Чем больше молекул мы включили, тем быстрее заряжалась батарея — именно так, как и предсказывала теория.

Единственное, чего не было у этого первого прототипа, — это способа извлекать из него энергию. Для этого в нашем последнем исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, мы добавили в наше устройство дополнительные слои, которые преобразуют энергию в электрический ток. Это знаменует собой важный шаг на пути к созданию практической квантовой батареи.

Прогресс еще предстоит сделать

Итак, почему же мы не видим квантовые батареи в магазинах?

Что ж, емкость квантовых батарей все еще мала (несколько миллиардов электронвольт), а время удержания заряда мимолетно коротко (несколько наносекунд). Это означает, что квантовые батареи слишком малы для питания обычных устройств, таких как мобильный телефон, по крайней мере на данный момент.

Но квантовые батареи могут быть идеальными для питания квантовых устройств, таких как квантовые компьютеры. Фактически, квантовые батареи могут стать именно тем решением, которое необходимо квантовым компьютерам для работы в больших масштабах и практической реализации.

Хотя у нас пока нет практичных квантовых батарей, в настоящее время мы работаем над способами увеличения размера нашего прототипа и увеличения времени, в течение которого он может удерживать заряд. Мы надеемся создать гибридную конструкцию, которая сочетает в себе исключительную скорость зарядки квантовой батареи с длительным временем хранения классической батареи.

Достигнутый нами прогресс является свидетельством столетней теоретической работы, проделанной квантовыми учеными до нас.

По теме: Радикальный квантовый прорыв может заряжать батареи в мгновение ока

Заряд батареи нашего первого прототипа длился наносекунды. Первый полет братьев Райт продлился немного дольше. Прогресс требует времени – но квантовые батареи, безусловно, уже на нашем горизонте.

Джеймс Куах, научный руководитель группы Quantum Batteries, CSIRO

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.