Układy scalone obecne we wszystkich naszych urządzeniach elektronicznych, panele fotowoltaiczne, aparaty do rezonansu magnetycznego, lasery czy zegary atomowe, które pozwalają człowiekowi mierzyć czas z niespotykaną dotąd precyzją, nie powstałyby bez wiedzy, jakiej dostarczyła nam współczesna teoria kwantowa. Bez tego modelu nie mielibyśmy oczywiście również komputerów kwantowych. Obiektywnie rzecz biorąc – i nie ma w tym krzty przesady – fizyka kwantowa jest fundamentem sporej części nowoczesnych technologii.
W ciągu ostatnich pięciu lat kilka zespołów badawczych, takich jak ten z Uniwersytetu Badawczego PSL (Université de Recherche Paris Sciences et Lettres) w Paryżu we Francji czy z Uniwersytetu w Pizie we Włoszech, próbuje wykorzystać podstawowe zasady mechaniki kwantowej do opracowania nowej generacji baterii. Ich wysiłki powoli przynoszą rezultaty. Punktem wyjścia jest chęć wykorzystania superpozycji, splątania kwantowego oraz superabsorpcji do przełamania ograniczeń narzucanych współcześnie przez akumulatory elektrochemiczne.
Kwantowe magazynowanie energii to ideał, który staje się coraz bliższy realizacji
Główna różnica między bateriami kwantowymi a konwencjonalnymi akumulatorami elektrochemicznymi polega na tym, że te drugie opierają się na reakcjach chemicznych, podczas gdy urządzenia kwantowe mają magazynować energię w stanach kwantowych określonych cząstek, na przykład fotonów. Brzmi to skomplikowanie – i w istocie takie jest – ale dla użytkowników najważniejsze jest to, że teoretycznie baterie kwantowe będzie można naładować niemal błyskawicznie, będą miały znacznie większą gęstość energii, a stopień ich degradacji w kolejnych cyklach ładowania okaże się minimalny.
Baterie kwantowe będą w stanie magazynować energię w superpozycji wielu stanów energetycznych jednocześnie
Brzmi to doskonale – do tego stopnia, że przypomina literaturę science fiction. Warto jednak pamiętać, że jeśli te prace zakończą się sukcesem, zasada działania takich ogniw będzie diametralnie różna od tradycyjnych akumulatorów elektrochemicznych. Istniejące koncepcje teoretyczne zakładają, że baterie kwantowe będą mogły magazynować energię w superpozycji wielu stanów energetycznych naraz, co powinno przełożyć się na znacznie wyższą gęstość energii.
Co więcej, proces ich ładowania w teorii będzie nieporównywalnie szybszy, wręcz natychmiastowy, ze względu na kolektywne efekty kwantowe zachodzące w tworzących je jednostkach kwantowych. Najbardziej fascynujący jest fakt, że im większa będzie pojemność baterii kwantowej, tym szybciej będzie przebiegać jej ładowanie. Zjawisko to całkowicie przeczy intuicji, ale wynika wprost ze wspomnianych zbiorowych efektów kwantowych. Na tym jednak nie koniec zalet. Na papierze degradacja takich baterii w trakcie transferu energii będzie znikoma, a ich żywotność okaże się wielokrotnie dłuższa niż tradycyjnych ogniw – być może wręcz niemal wieczna z perspektywy długości ludzkiego życia.
Do tej pory wszelkie prace badaczy w tym obszarze ograniczały się do modeli czysto teoretycznych, jednak ten stan rzeczy właśnie uległ zmianie. Naukowcy ze wspomnianych wcześniej uczelni opublikowali niezwykle interesujący artykuł , w którym opisują, jak zbudować baterię kwantową. Ich koncepcja opiera się na zastosowaniu obwodów nadprzewodzących, wykonanych z materiałów wykazujących niemal zerowy opór elektryczny w niskich temperaturach. Na razie nie powstał żaden fizyczny prototyp, więc najtrudniejszy etap – badania eksperymentalne – jest jeszcze przed nami. Przedstawiona propozycja pozwala jednak patrzeć w przyszłość baterii kwantowych z uzasadnionym optymizmem.
Więcej informacji | Phys.org
