Квантовая батарейка принцип работы и чем она лучше обычной

Это устройство — первая в мире полнофункциональная экспериментальная квантовая батарея

Австралийские учёные впервые собрали квантовую батарейку, которая выполняет полный цикл: заряжается, хранит энергию и отдаёт её в виде электрического тока. Прототип заряжается лазером за фемтосекунды, а хранит энергию в миллион раз дольше, чем длится зарядка. Даже на фоне разработок с зарядкой за 5 минут это выглядит как технология из совсем другой лиги. Это похоже на телефон, который заряжается за полчаса, а работает больше ста лет, только промежутки времени на деле пока гораздо меньше.

*фемтосекунда одна квадриллионная часть секунды. 1 фс = 10 с

Квантовая батарейка: чем отличается от обычной

Обычные батареи литий-ионные, свинцово-кислотные, любые привычные хранят энергию благодаря химическим реакциям. Ионы перемещаются между электродами, и так батарея заряжается и разряжается. Квантовая батарейка работает совсем иначе: вместо химических реакций она использует принципы квантовой механики суперпозицию и взаимодействие между светом и электронами, что потенциально позволяет заряжаться гораздо быстрее.

Если совсем просто: в обычной батарее каждая молекула поглощает энергию по отдельности, как люди в очереди за кофе по одному. В квантовой батарее работает явление суперабсорбции энергия поглощается коллективно, а не по одной молекуле за раз, и это позволяет системе принимать энергию быстрее, чем предсказывают классические модели.

Представьте, что вместо очереди все получают свой кофе одновременно и чем больше людей, тем быстрее каждый обслуживается. Именно так ведут себя молекулы в квантовой батарейке.

Сравнение принципа работы обычной и квантовой батареи

Как устроена квантовая батарейка: первый прототип

Батарея представляет собой многослойную органическую микрополость (микрокавити) и заряжается беспроводным способом с помощью лазера. По описанию ведущего исследователя доктора Джеймса Куача из CSIRO, микрополость это крошечный многослойный сэндвич из нескольких разных материалов, который улавливает свет определённым образом.

Прототип развивает работу 2022 года, когда та же команда впервые показала экзотическое поведение квантовых батарей: время зарядки снижалось пропорционально 1/N, где N число молекул. Но тот прототип не умел отдавать накопленную энергию в виде тока.

В новом устройстве добавлены дополнительные слои, которые преобразуют энергию в электрический ток и это стало ключевым шагом к практической квантовой батарее. Платформа суперэкстенсивно захватывает световую энергию и впервые обеспечивает полный цикл заряда-разряда квантовой батареи.

Лаборатория CSIRO, где собирают прототипы квантовых батарей

С помощью сверхточной спектроскопии команда подтвердила, что прототип хранит энергию на шесть порядков дольше, чем длится его зарядка. Шесть порядков это разница в миллион раз. Батарейка заряжалась за фемтосекунды (квадриллионные доли секунды) и удерживала заряд наносекунды. Да, цифры пока малы, но сама логика крайне важна: в мире новых накопителей куда сложнее не быстро зарядить систему, а надолго удержать в ней энергию и мы уже рассказывали, как учёные пытаются хранить энергию 100 лет.

Почему квантовая батарейка заряжается быстрее, если она больше

Это, пожалуй, самое контринтуитивное свойство квантовых батарей. Все мы привыкли: маленький смартфон заряжается за пару часов, а большой электромобиль всю ночь. Чем больше ёмкость, тем дольше ждать. Квантовые батареи ведут себя ровно наоборот они заряжаются быстрее, когда становятся крупнее. Современные батареи так не работают.

Причина в так называемых коллективных квантовых эффектах. Если квантовая батарея имеет N ячеек и каждая в отдельности заряжается за секунду, то при совместной зарядке каждая ячейка потратит только 1/N секунды. Удвоите размер батареи и зарядка займёт чуть больше половины прежнего времени.

Будь в курсе новых событий по максимуму подписывайся на наш канал в Max!

Суперабсорбция возникает благодаря конструктивной интерференции когда волны складываются и дают больший эффект, чем каждая по отдельности. Молекулы в условиях когерентности поглощают свет эффективнее, чем если бы каждая действовала отдельно. Чем больше молекул, тем больше путей для конструктивной интерференции.

И ещё один неожиданный поворот. Обычно квантовые системы страдают от декогеренции потери квантовых свойств из-за воздействия среды. Но в случае квантовой батареи некоторое количество декогеренции помогает стабилизировать запасённую энергию: когерентность обеспечивает быструю зарядку, а декогеренция не даёт энергии тут же высвободиться.

Сколько энергии хранит квантовая батарейка и где её применят

Прежде чем представлять себе смартфоны будущего, стоит приземлиться. Ёмкость нынешних квантовых батарей составляет всего 5 миллиардов электронвольт, а заряд они удерживают лишь несколько наносекунд этого слишком мало, чтобы питать обычные устройства вроде телефона. Для масштаба: 5 миллиардов электронвольт это примерно одна двухсоттысячная энергии летящего комара.

Но это первый в мире прототип, выполняющий полный цикл зарядка, хранение, разрядка. Профессор химической физики из RMIT Даниэль Гомес назвал устройство самым близким приближением к работающей квантовой батарее, которое когда-либо было получено. И важно: в отличие от конкурирующих подходов (например, сверхпроводящих кубитов), австралийский прототип работает при комнатной температуре без дорогостоящего криогенного охлаждения.

Где такие батареи могут пригодиться в первую очередь? Квантовые батареи могут идеально подойти для питания квантовых устройств в частности, квантовых компьютеров. Они могут стать именно тем решением, которое нужно квантовым компьютерам для масштабирования. А в далёком будущем, по мнению авторов, технология может найти применение в электромобилях и дронах вплоть до зарядки прямо на лету лазерным лучом.

Концепция будущего: электромобиль заряжается лазером прямо на ходу

Что мешает массовому применению квантовых батарей

Исследователи подчёркивают: впереди серьёзные технические вызовы. Главное ограничение удержание энергии: система быстро заряжается, но хранить запасённую энергию в течение полезного времени пока не получается. По словам доктора Куача, ближайшая задача продлить время хранения энергии. Если удастся преодолеть этот барьер, команда будет ближе к коммерчески жизнеспособным квантовым батареям.

Команда CSIRO уже исследует гибридные конструкции, которые объединят исключительную скорость зарядки квантовых батарей с длительным хранением обычных, создавая системы на стыке квантовой и классической физики. Это особенно интересно на фоне работ по материалам нового поколения, которые уже сейчас позволяют заряжать батареи быстрее и без риска возгорания.

Стоит упомянуть, что незадолго до публикации CSIRO команда из Южного университета науки и технологий Китая совместно с испанским Национальным исследовательским советом продемонстрировала альтернативный подход сверхпроводящую квантовую батарею на 12 кубитах, которая заряжается вдвое быстрее классического аналога. Глобальная гонка за квантовое хранение энергии набирает обороты.

Источник: hi-news.ru

К списку статей