Какие квантовые эффекты позволяют обойти ограничения традиционных накопителей энергии?
Ученые из Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO) вместе с международной группой коллег разработали первые в мире прототипы квантовых батарей. Эта технология базируется на принципах квантовой физики, таких как суперпозиция и запутанность, которые обычно наблюдаются только на уровне микроскопических объектов. Однако ключевым фактором, что делает новую разработку уникальной, являются так называемые коллективные эффекты, пишет ScienceAlert.
Смотрите также Забудьте о разряженном смартфоне: 5 доступных павербанков, которые высоко оценили владельцы
В обычном мире мы привыкли к простой логике: чем больше емкость аккумулятора, тем дольше он заряжается. Смартфон требует часа, а электромобиль может стоять на зарядке целую ночь. Квантовый мир работает иначе. Когда накопительные единицы квантовой батареи действуют коллективно, а не поодиночке, скорость их зарядки резко возрастает.
Если батарея содержит определённое количество единиц N, то при условии их одновременной зарядки время процесса сокращается пропорционально математической формуле 1 разделить на корень квадратный из N. Это означает контринтуитивный факт: чем больше становится квантовая батарея, тем меньше времени ей нужно для наполнения энергией. Каждая частица будто "чувствует" присутствие других, что стимулирует быстрый обмен энергией.
Квантовая батарея / Фото CSIRO
Идея создания такого устройства долгое время оставалась чисто теоретическим интересом. Однако в 2018 году исследователи поставили цель доказать возможность ее практической реализации. Уже в 2022 году команда, в которую вошли специалисты из Великобритании и Италии, создала прототип на основе органической микрополости. Эта конструкция напоминает сложный многослойный "сэндвич" из различных материалов, способен удерживать свет особым образом. Эксперименты подтвердили теорию: с увеличением количества молекул в устройстве время зарядки действительно сокращалось.
Последним значительным достижением, результаты которого опубликованы в научном журнале Light: Science & Applications, стало добавление специальных слоев, которые преобразуют накопленную энергию в электрический ток. Это был критически важный шаг, ведь предыдущие версии умели только поглощать энергию, но не отдавать ее.
Когда ждать на рынке?
Несмотря на значительный прогресс, технология пока не готова к массовому рынку. На современном этапе емкость таких батарей остается мизерной. Кроме того, они способны удерживать заряд в течение чрезвычайно короткого времени – всего несколько наносекунд. Для питания бытовой электроники этого мало, однако квантовые батареи могут стать идеальным решением для обеспечения работы квантовых компьютеров, помогая им масштабироваться и становиться практичными.
Какие следующие шаги?
Сейчас ученые работают над увеличением размеров прототипов и продлением времени хранения энергии. Конечной целью является создание гибридного дизайна, который объединит невероятную скорость квантовой зарядки с надежностью длительного хранения, присущей классическим аккумуляторам. Исследователи сравнивают текущее состояние разработки с первым полетом братьев Райт: он тоже длился недолго, но открыл путь к новой эре в истории человечества.