Перша робочаквантова батарея доводить, що більший розмір справді означає швидше

Коротко

• Австралійські вчені створили перший робочий прототип квантової батареї.
• Квантові батареї заряджаються швидше з масштабуванням, порушуючи класичні обмеження.
• Це відкриття може забезпечити енергією майбутні квантові комп’ютери, але ще не споживчі пристрої.

Ваш телефон заряджається годину. Ваш електромобіль — всю ніч. Такий компроміс — більше ємності означає більше очікування — так глибоко закорінений у роботі батарей, що ніхто вже й не сумнівається. Команда австралійських вчених щойно створила щось, що цілком порушує цю закономірність. Дослідники з CSIRO, національного наукового агентства Австралії, разом із командами з RMIT University та Університету Мельбурна представили перший у світі робочий прототип квантової батареї. Це реальний фізичний пристрій, який заряджає, зберігає енергію та розряджає її — використовуючи закони квантової фізики замість хімії. Їхні результати були опубліковані у середу у Nature Light: Science & Applications. Прототип — це крихітна багатошарова пластина з органічних матеріалів, схожа на нанорозмірний сендвіч, яка заряджається бездротово лазерним імпульсом. Той імпульс триває фемтосекунди. Одна фемтосекунда — це квадриллионна частка секунди. У цей проміжок пристрій заряджається, а потім зберігає енергію кілька наносекунд — приблизно у шість порядків довше, ніж потрібно для заповнення.

Цей розрив здається незначним, поки не масштабувати його. «Якщо ми зможемо зарядити батарею за одну хвилину, вона залишатиметься зарядженою кілька років», — пояснив головний дослідник Джеймс Куач. Фізика вже працює. Зараз виклик — продовжити тривалість збереження енергії у реальному пристрої. Найбільш дивною частиною є не швидкість, а масштабована поведінка. Звичайні батареї заряджаються повільніше з ростом. Більша ємність — більше часу, але квантові батареї роблять навпаки. Чим більше молекул у пристрої, тим швидше кожна з них заряджається — бо на квантовому рівні вони не діють окремо. Вони поводяться колективно, обмінюючись енергією у єдиному скоординованому спалаху, який дослідники називають «суперабсорбцією».

Технічно кажучи, дослідники стверджують, що час зарядки зменшується як 1/√N, де N — кількість молекул. Подвоїти батарею — майже наполовину зменшити час зарядки, і так далі. «Наші результати підтверджують фундаментальний квантовий ефект, який є цілком контрінтуїтивним: квантові батареї заряджаються швидше з їхнім зростанням», — сказав Куач у Мельбурнському університеті. «Сучасні батареї так не працюють». Цей ефект був передбачений математично ще з 2013 року, а частково — продемонстрований у 2022. Новизна тут у повному циклі: команда зуміла витягти збережену енергію у вигляді електричного струму, чого раніше жоден квантовий експеримент не робив. Пристрій також працює при кімнатній температурі — практична перевага порівняно з конкурентними надпровідними технологіями із Китаю та Іспанії, які потребують криогенного охолодження. Миттєве застосування — не ваш електромобіль або щось подібне. Загальна ємність прототипу вимірюється у мільярдних частках електрон-вольта — достатньо, щоб нічого не запустити у реальному світі. Але квантові комп’ютери — інша історія. Ці системи вже розвиваються швидше, ніж очікували, і мають специфічну проблему з енергоспоживанням: їхні делікатні квантові стани потребують когерентної подачі енергії без шуму, який створює звичайна електроніка. Квантова батарея заряджається і розряджається, використовуючи ту саму квантову мову, якою говорять ці процесори. «Квантові батареї можуть подавати енергію когерентно, з мінімальними затратами для квантових комп’ютерів», — сказав професор Ендрю Вайт, керівник лабораторії квантових технологій у Університеті Квінсленду, який не брав участі у дослідженні, — The News Digital. CSIRO вже шукає партнерів для розвитку, зокрема виробників електромобілів та інвесторів у глибокі технології, щоб просувати дослідження вперед. Теорія мала десятиліття переваги над апаратним забезпеченням. Тепер апаратне забезпечення наздогнало.