De kwantumbatterijen In zeer korte tijd zijn ze van een bijna sciencefictionachtig idee uitgegroeid tot echte laboratoriumprototypes. Wat tot voor kort modellen op whiteboards en simulaties waren, zijn nu fysieke apparaten die in staat zijn tot... Om energie op te laden, op te slaan en te ontladen. In een tijdperk dat volledig breekt met wat we verstaan ​​onder een conventionele batterij.
Een groep Australische onderzoekers is er samen met teams uit Europa en Azië in geslaagd om de volgende technologie te ontwikkelen: eerste functionele prototype van een kwantumbatterijEen minuscuul systeem dat in femtoseconden oplaadt en energie opslaat gedurende nanoseconden, waarmee wordt aangetoond dat deze technologie niet louter theoretisch is. Hoewel er nog een lange weg te gaan is voordat het een mobiele telefoon of een auto van stroom kan voorzien, opent wat tot nu toe is bereikt de deur naar toekomstige toepassingen. Vrijwel direct opladen, hoog rendement en een enorm lange levensduur. in toekomstige toepassingen.
Wat is een kwantumbatterij precies en waarin verschilt deze van een conventionele batterij?
In tegenstelling tot een traditionele lithiumbatterij, die energie opslaat dankzij oxidatie-reductie chemische reactiesEen kwantumbatterij is gebaseerd op de regels van de kwantummechanica. In plaats van ionen tussen elektroden te verplaatsen met behulp van een elektrolyt, maakt deze gebruik van atomen, moleculen, kwantumstippen of supergeleidende circuits als kleine energiecellen die in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan.
Deze kwantumcellen kunnen in een geplaatst worden opgewonden toestand Wanneer ze energie absorberen, bijvoorbeeld in de vorm van lichtfotonen, wordt die energie opgeslagen in de elektronische configuratie van het systeem, net zoals een elektron dat naar een hogere energiebaan springt. Later kan die energie weer vrijkomen, meestal in de vorm van... fotonen of elektrische stroomafhankelijk van hoe het apparaat is ontworpen.
Het belangrijkste is dat deze batterijen afhankelijk zijn van verschijnselen zoals... superpositie, verstrengeling en kwantumcoherentieIn plaats van dat elke cel afzonderlijk werkt, gedraagt ​​het systeem zich als één collectieve kwantumentiteit. Dit collectieve gedrag maakt ultrasnelle oplaadtijden en een efficiëntie mogelijk die met klassieke elektronica moeilijk te evenaren is.
Terwijl bij een conventionele batterij capaciteit en laadtijd hand in hand gaan – meer capaciteit betekent meer tijd om hem op te laden –, wordt bij een kwantumbatterij het tegenovergestelde onderzocht: Hoe groter de capaciteit van het systeem, hoe sneller het kan laden.Dit idee, dat op het eerste gezicht onzinnig lijkt, is gebaseerd op kwantumconcepten die breken met de intuïtie die we in ons dagelijks leven hebben.
Een ander belangrijk verschil is degradatie. De huidige batterijen slijten bij elke laadcyclus: ze Het verliest capaciteit, de interne weerstand neemt toe En er ontstaan ​​veiligheidsproblemen. Voorstellen voor kwantumbatterijen, die niet afhankelijk zijn van chemische processen, hebben als doel om de degradatie tot vrijwel verwaarloosbare niveaus terugbrengenDit zou resulteren in apparaten met een aanzienlijk langere levensduur in vergelijking met de huidige standaard.
Belangrijke kwantumconcepten: superpositie, verstrengeling en superabsorptie
Om te begrijpen waarom een ​​kwantumbatterij zo snel kan opladen, moeten we kijken naar drie fundamentele ideeën uit de kwantumfysica: overlapping, verstrengeling en collectieve effecten zoals superabsorptieJe hoeft niet in ingewikkelde wiskunde te duiken, maar je moet wel accepteren dat dingen op subatomair niveau anders werken dan in de macroscopische wereld.
In superpositie kan een kwantumsysteem in meerdere energietoestanden tegelijk totdat het gemeten wordt. Dit maakt het in theorie mogelijk dat een kwantumbatterij energie opslaat in een soort combinatie van vele energieniveaus tegelijk, waardoor de energiedichtheid die in een zeer klein volume kan worden opgeslagen, toeneemt.
Verstrengeling is een nog contra-intuïtiever fenomeen: meerdere deeltjes of kwantumcellen gedragen zich alsof ze verstrengeld zijn. een enkel onscheidbaar systeemWat er met één cel gebeurt, heeft direct invloed op de rest, zelfs als ze van elkaar gescheiden zijn. In de context van een batterij maakt dit het mogelijk dat... opslagcellen werken samen. tijdens het laden en lossen, in plaats van zelfstandig te werken.
Uit die samenwerking ontstaat het zogenaamde superabsorptieIn een klassiek systeem neemt het vermogen om energie te absorberen lineair toe naarmate we meer moleculen of cellen toevoegen: tweemaal het aantal cellen, tweemaal de absorptie. In een verstrengeld en coherent kwantumsysteem kan de absorptie op een andere manier toenemen... superlineair of superextensiefNaarmate het aantal cellen toeneemt, groeit het laadvermogen sneller dan de omvang van het systeem.
Dit betekent dat een grotere kwantumbatterij zou kunnen laadt nog sneller op dan een kleineDe moleculen gedragen zich niet langer als individuele kubussen in de regen, maar functioneren in plaats daarvan als een soort 'supermolecuul' dat lichtenergie veel efficiënter opvangt. Deze paradigmaverschuiving maakt deze technologie zo aantrekkelijk voor de energievoorziening van de toekomst.
Het eerste functionele prototype: de Australische organische microholte.
De meest concrete demonstratie hiervan komt van het team onder leiding van James Quach en Kieran Hymas, in samenwerking met CSIRO en de Universiteit van Adelaide. Na jarenlang gewerkt te hebben met modellen en gedeeltelijke prototypes, zijn ze erin geslaagd een te bouwen operationele kwantumbatterij die een volledige cyclus kan voltooien Het opladen, opslaan en ontladen van energie.
Uw apparaat is gebaseerd op een organische microholteDit kan worden gezien als een klein sandwichje van zorgvuldig gestapelde materialen. In het hart van het systeem bevindt zich een zeer dunne laag van een een moleculaire halfgeleider met een lage massa, verspreid in een polymeermatrixDeze actieve laag wordt aangebracht met behulp van precieze technieken, zoals spincoating, en wordt geplaatst tussen twee diëlektrische spiegels die de optische holte vormen.
De functie van deze microholte is om een sterke koppeling tussen licht en materieWanneer fotonen de holte binnenkomen, worden ze gevangen door weerkaatsing tussen de spiegels en combineren ze met de aangeslagen toestanden van de organische moleculen, waardoor licht-materie hybride toestanden ontstaan. In deze toestand houden de moleculen op onafhankelijk van elkaar te functioneren en worden ze... oscilleren en energie absorberen op een gecoördineerde manier.
In eerdere experimenten had dezelfde groep al aangetoond dat, wanneer vergroot de grootte van de holte en het aantal moleculenDe oplaadtijd werd verkort dankzij superabsorptie. Deze prototypes hadden echter een belangrijke beperking: ze waren niet in staat tot... De opgeslagen energie wordt gewonnen en omgezet in bruikbare elektrische stroom.Met andere woorden, ze laadden wel op, maar functioneerden niet als een volwaardige batterij.
Het nieuwe werk, gepubliceerd in het tijdschrift Light: Science & Applications, lost dat knelpunt op. Het team heeft het volgende toegevoegd: extra lagen voor vrachttransport binnen de structuur, waardoor de excitonische energie kan worden opgevangen en omgezet in een meetbare elektrische stroom. Op deze manier is het apparaat niet langer slechts een "lichtreservoir", maar een functionele kwantumbatterij bij kamertemperatuur.
Extreme laadsnelheden en huidige prototypelimieten
Een van de meest opvallende kenmerken van dit prototype is de oplaadtijd. De batterij laadt in een mum van tijd op. femtosecondenDat wil zeggen, in een tijdsinterval dat gelijk is aan een miljoenste van een biljoenste van een seconde. Om u een idee te geven: als we deze prestatie zouden vertalen naar een batterij voor dagelijks gebruik, zouden we het hebben over... vrijwel direct opladen voor mobiele telefoons, computers of elektrische auto's.
Aan het andere uiterste ligt de aangetoonde opslagtijd in de orde van grootte van nanosecondenongeveer een miljoen keer langer dan de oplaadtijd. Quach legt het meestal uit met een simpele analogie: als de batterij in één minuut met dezelfde snelheid zou opladen, zou hij... Houd de belasting jarenlang vast.Het is een grafische manier om het enorme voordeel te illustreren wat betreft de verhouding tussen laadtijd en bewaartijd, zelfs al werken we nog steeds met een klein systeem.
Het probleem is dat de absolute hoeveelheid opgeslagen energie Het is nog steeds erg laag. We hebben het over ordes van grootte van miljarden elektronvolt, een getal dat indrukwekkend klinkt, maar in de praktijk vrijwel niets voorstelt. Het is niet genoeg om zelfs het eenvoudigste elektronische apparaat dat we dagelijks gebruiken van stroom te voorzien.
Bovendien is het feit dat de Kwantumcoherentie gaat binnen nanoseconden verloren. Dit beperkt de directe toepassingen aanzienlijk. Het is een enorme uitdaging om een ​​kwantumsysteem te isoleren van trillingen, thermische fluctuaties en externe velden. Deze "decoherentie" is de grote vijand van beide. kwantumbatterijen Net als bij kwantumcomputers dwingt dit ons voorlopig om op microscopische schaal en in sterk gecontroleerde omgevingen te werken.
Dit alles zorgt ervoor dat de onderzoekers zelf voorzichtig zijn met hun beloftes. Ze erkennen dat, hoewel het prototype een cruciaal bewijs van het concept is, we nog lang niet zover zijn dat we het daadwerkelijk kunnen zien. kwantumbatterijen in elektrische auto's, mobiele telefoons of thuissystemen.De volgende stappen omvatten het vergroten van de afmetingen van het apparaat, het verbeteren van de holte-architectuur en vooral, energieopslagtijden verlengen zonder de voordelen van superabsorptie te verliezen.
Directe toepassingen: kwantumcomputers en uiterst nauwkeurige apparaten.
De technologie kan de meest directe impact hebben op het gebied van... quantum computingDeze computers werken met qubits die met extreme precisie en vaak bij zeer lage temperaturen moeten worden aangestuurd. Een stroombron gebaseerd op dezelfde kwantumprincipes De factoren die de logica van de processor bepalen, kunnen aanzienlijke voordelen opleveren.
Verschillende theoretische studies suggereren dat kwantumbatterijen de toekomst zouden kunnen zijn van kwantumbatterijen. ontbrekend puzzelstukje voor het opschalen van kwantumcomputers richting industrieel bruikbare afmetingen. Door energiestoten te leveren die perfect gesynchroniseerd zijn met de kwantumtoestanden van de qubits, zouden ze verliezen verminderen, de stabiliteit verbeteren en de besturing optimaliseren. van de meest complexe algoritmen.
Er wordt ook gekeken naar toepassingen in systemen die vereisen zeer snelle energieontladingen op ultrakorte tijdschalen, zoals bij bepaalde soorten kwantumsensoren, zeer geavanceerde medische apparaten, of zelfs communicatie- en satellietcomponenten waar timing en vermogen in korte pieken cruciaal zijn.
Een andere interessante toepassing die wordt onderzocht, is de draadloos opladen op afstandSommige ontwerpen, waaronder een recent Chinees voorstel, suggereren het gebruik van magnetische velden opgewekt door kleine metalen buisjes In de batterij zelf, waardoor contactloos opladen met minimale kwaliteitsvermindering mogelijk is. In een ideaal scenario zouden apparaten zoals drones, auto's of sensoren die over een stad verspreid zijn, hierop kunnen worden aangesloten. volledig operationele stroom ontvangen zonder te hoeven stoppen of een stekker in te pluggen.
Als we ons de sprong naar een grotere schaal voorstellen, zouden we een punt kunnen bereiken waarop horloges, pacemakers, smartphones, laptops of voertuigen Ze zouden binnen enkele seconden opladen en gedurende hun hele levensduur minimaal onderhoud vereisen. Toch erkennen experts zelf dat deze visies, hoe aantrekkelijk ook, nog steeds overwonnen moeten worden. enorme technische uitdagingen die gemeengoed zullen worden.
De technische uitdagingen: decoherentie, stabiliteit en schaalbaarheid van de technologie.
Het grootste obstakel voor kwantumbatterijen is het in stand houden ervan. coherente kwantumtoestanden gedurende een voldoende lange tijdElke interactie met de omgeving – trillingen, temperatuurschommelingen, elektromagnetische ruis – kan de delicate verstrengeling verstoren die superabsorptie mogelijk maakt. Dat proces, de decoherentieHierdoor schakelt het systeem over van collectief kwantumgedrag naar klassiek en veel minder efficiënt gedrag.
In de huidige experimenten worden de energiebehoudtijden gemeten in nanoseconden of microsecondenDit is voldoende om de natuurkundige principes van het fenomeen aan te tonen, maar het is nog mijlenver verwijderd van wat een praktisch apparaat nodig zou hebben, aangezien het de energie gedurende minuten, uren of dagen moet kunnen vasthouden. Het verlengen van deze tijden zonder het collectieve kwantumgedrag te verliezen, is een van de belangrijkste onderzoeksgebieden.
Een andere uitdaging is de technologie schalingHet stabiel verstrengelen van miljoenen of miljarden kwantumcellen is geen eenvoudige opgave. Het vereist uiterste precisie bij de fabricage van de microholtes, de organische of supergeleidende materialen en de architectuur van de golfgeleiders of circuits. Elk defect of elke asymmetrie kan de symmetrie verbreken die nodig is om het systeem in evenwicht te brengen. donkere of superabsorberende toestand gewenst.
Sommige groepen, zoals die van de Universiteit van Pisa of de PSL Research University in Parijs, onderzoeken het gebruik van lage-temperatuur supergeleidende circuits om kwantumbatterijen te implementeren. Deze materialen hebben vrijwel geen elektrische weerstand, wat helpt om verliezen te minimaliseren. Voorlopig blijven hun voorstellen theoretisch, maar ze bieden wel veelbelangrijke mogelijkheden. alternatieve ontwerproutes voorbij de organische microholtes.
Daarnaast is er nog een derde probleem: de industriële productieDe overgang van een laboratoriumprototype op micrometer- of nanometerschaal naar commerciële apparaten die geïntegreerd zijn in panelen, auto's of elektriciteitsnetten, vereist de ontwikkeling van herhaalbare, goedkope en robuuste productieprocessen. Dit houdt in dat men de technieken voor dunnefilmdepositie, integratie met klassieke elektronica en grootschalige kwantumkwaliteitscontrole van het materiaal moet beheersen.
De bijdrage van topologie en de meest geavanceerde theoretische voorstellen
Naast de experimentele prototypes verfijnt de wetenschappelijke gemeenschap de theorie om ontwerpen te vinden voor kwantumbatterijen. robuuster en efficiënter onder realistische omstandighedenEen uitstekend voorbeeld is het gezamenlijke werk van het RIKEN Center for Quantum Computing en de Huazhong University of Science and Technology in China, dat voorstelt om gebruik te maken van concepten van topologie om de energieoverdracht en -opslag te verbeteren.
Topologie is een tak van de wiskunde die de eigenschappen bestudeert van systemen die Ze veranderen niet bij continue vervormingen.Toegepast op fotonica en kwantumsystemen maakt het het ontwerp mogelijk van structuren zoals topologische fotonische golfgeleiderswaarin energie zich kan verplaatsen met vrijwel geen verlies of verspreiding, zelfs als het medium niet perfect is.
Uit de analyse van deze onderzoekers blijkt dat een kwantumbatterij ontworpen met fotonische golfgeleiders en twee-niveau atomen Het kan energie vrijwel perfect overdragen tussen de verschillende onderdelen van het systeem. Bovendien identificeren ze configuraties waarin het apparaat vrijwel immuun voor verspreidingEen van de grootste problemen bij het handhaven van kwantumcoherentie en -efficiëntie.
Het idee is dat het mogelijk is om, door gebruik te maken van topologische eigenschappen, dat te bereiken. Energie stroomt door "beschermde kanalen". binnenin de batterij, zodat defecten, onzuiverheden of kleine variaties in het materiaal een minimale impact hebben. Hoewel dit momenteel theoretische resultaten zijn, bieden ze een indicatie van de mogelijke gevolgen. Een waardevolle handleiding voor het ontwerp van toekomstige topologische kwantumbatterijen met betere eigenschappen.
Volgens de eerste auteur van dat werk, Zhi-Guang Lu, helpen deze voorstellen de praktische beperkingen van kwantumbatterijen te overwinnen die worden veroorzaakt door de transmissie over lange afstand en energieverliesAls deze ideeën in het laboratorium kunnen worden toegepast, zouden we extreem efficiënte micro-energieopslagapparaten kunnen zien die een sleutelrol spelen in... sensornetwerken, ingebouwde elektronica en gedistribueerde kwantumcomputing.
Potentiële impact op energie en toekomstige technologie
Als al deze onderzoekslijnen vruchtbaar blijken, hebben kwantumbatterijen de potentie om... een revolutie teweegbrengen in energieopslag zowel op kleine als op grote schaal. In de elektrische mobiliteit zouden ze bijvoorbeeld het volgende mogelijk maken: Een auto opladen in een tijd die vergelijkbaar is met het vullen van een benzinetank.waarmee een van de grootste huidige obstakels voor de massale invoering van elektrische voertuigen wordt weggenomen.
Bij consumentenelektronica kan een smartphone, een laptop of een smartwatch worden opgeladen via een oplader. kwestie van seconden En ze zouden dagen of wekenlang meegaan, vrijwel zonder kwaliteitsverlies in de loop der jaren. Dit zou onze relatie met apparaten volledig veranderen, waardoor "batterijangst" geen alledaags probleem meer zou zijn.
In de industriële en wetenschappelijke sector zouden kwantumbatterijen perfect kunnen zijn voor het aandrijven van systemen die energie nodig hebben. sterk geconcentreerde vermogenspieken In een fractie van een seconde: van geavanceerde magnetische resonantieapparatuur tot deeltjesversnellers, satellietcommunicatiesystemen of cruciale noodinstrumenten.
Bovendien door er niet afhankelijk van te zijn brandbare elektrolyten of complexe chemische reactiesDeze batterijen zouden inherent veiliger zijn tegen defecten, oververhitting of kortsluiting. En in combinatie met de mogelijkheid van draadloos opladen via lasers of magnetische velden zouden ze de weg vrijmaken voor... draadloze energie-infrastructuurwaarbij de energie vrijwel onzichtbaar naar de apparaten stroomt.
Dit alles draagt ​​bij aan de visie op een veelbelovendere toekomst. duurzaam en efficiëntEen bijna perfect energieopslagsysteem, met minimale verliezen en vrijwel oneindige laad- en ontlaadcycli, zou de behoefte aan de productie en recycling van batterijen met kritieke materialen drastisch verminderen en zou zeer goed aansluiten bij de uitbreiding van hernieuwbare energieëndie behoefte hebben aan veelzijdige en snelle opslagoplossingen.
Tot op de dag van vandaag blijft de wetenschappelijke gemeenschap echter volhouden dat we dit nodig hebben. een decennium of langer om de eerste duidelijke commerciële toepassingen van kwantumbatterijen in alledaagse elektronische apparaten te zien. In de tussentijd zullen we zien steeds geavanceerdere prototypes, verbeteringen in de bewaartijd en hybride ontwerpen. die kwantumsnelheid combineren met de capaciteit van klassieke batterijen.
Met alle activiteiten die plaatsvinden in laboratoria in Australië, Europa en Azië, vestigen kwantumbatterijen zich als een van de meest veelbelovende technologieën aan de energiehorizon: een vakgebied waarin licht, atomen en de meest bizarre natuurkundige principes samenkomen om een ​​scenario te creëren waarin Het opladen van een apparaat moet vrijwel net zo snel en onmerkbaar gebeuren als het aanzetten van een lamp..
