ang mga bateryang kwantum Sa napakaikling panahon, mula sa pagiging isang halos science fiction na ideya, naging totoong prototype sila sa laboratoryo. Ang mga dating modelo sa whiteboard at simulation hanggang kamakailan lamang, ngayon ay mga pisikal na aparato na may kakayahang para mag-charge, mag-imbak ng enerhiya at magdiskarga nito sa mga panahong ganap na hiwalay sa pagkakaintindi natin bilang isang kumbensyonal na baterya.
Isang grupo ng mga mananaliksik na Australyano, kasama ang mga pangkat mula sa Europa at Asya, ang nagtagumpay sa pagbuo ng unang gumaganang prototype ng isang quantum batteryIsang maliit na sistema na nagcha-charge sa femtoseconds at nag-iimbak ng enerhiya sa loob ng mga nanosecond, na nagpapakita na ang teknolohiyang ito ay hindi lamang teoretikal. Bagama't malayo pa ang lalakbayin bago nito mapagana ang isang mobile phone o kotse, ang nagawa na ay nagbubukas ng pinto para sa halos agarang pag-charge, mataas na kahusayan, at mahabang buhay sa mga aplikasyon sa hinaharap.
Ano nga ba ang quantum battery at paano ito naiiba sa isang conventional battery?
Hindi tulad ng tradisyonal na bateryang lithium, na nag-iimbak ng enerhiya dahil sa mga reaksiyong kemikal na reduksyon-oksihenasyonAng isang quantum battery ay batay sa mga tuntunin ng quantum mechanics. Sa halip na ilipat ang mga ion sa pagitan ng mga electrode na may electrolyte, gumagamit ito ng mga atomo, molekula, quantum dots, o mga superconducting circuit parang maliliit na selula ng enerhiya na maaaring umiral sa ilang estado nang sabay-sabay.
Ang mga quantum cell na ito ay maaaring ilagay sa isang estadong nasasabik Kapag sumisipsip sila ng enerhiya, halimbawa, sa anyo ng mga photon ng liwanag, ang enerhiyang iyon ay iniimbak sa electronic configuration ng sistema, tulad ng isang elektron na tumatalon sa isang mas mataas na orbit ng enerhiya. Kalaunan, ang enerhiyang iyon ay maaaring ilabas muli, kadalasan sa anyo ng mga photon o kuryentedepende sa kung paano dinisenyo ang aparato.
Ang susi ay ang mga bateryang ito ay umaasa sa mga penomenong tulad ng superposisyon, pagkakaugnay-ugnay, at quantum coherenceSa halip na ang bawat selula ay gumagana nang hiwalay, ang sistema ay kumikilos bilang isang iisang, kolektibong quantum entity. Ang kolektibong pag-uugaling ito ang nagbubukas ng napakabilis na oras ng pag-charge at isang kahusayan na mahirap pantayan sa mga klasikong elektroniko.
Bagama't sa isang kumbensyonal na kapasidad ng baterya at oras ng pag-charge ay magkasabay—ang mas maraming kapasidad ay nangangahulugan ng mas maraming oras upang mapunan ito—, sa isang quantum na baterya, ang kabaligtaran ang ginalugad: Mas mabilis mag-load ang sistema kung mas malaki ang kapasidad nito.Ang ideyang ito, na sa unang tingin ay tila walang katuturan, ay batay sa mga konseptong quantum na salungat sa intuwisyon na mayroon tayo sa ating pang-araw-araw na buhay.
Ang isa pang mahalagang pagkakaiba ay ang pagkasira. Ang mga kasalukuyang baterya ay dumaranas ng pagkasira at pagkasira sa bawat siklo: ang mga ito Nawawalan ito ng kapasidad, tumataas ang panloob na resistensya At lumilitaw ang mga problema sa kaligtasan. Ang mga panukalang quantum battery, sa pamamagitan ng hindi pagdepende sa mga prosesong kemikal, ay naglalayong bawasan ang degradasyon sa halos bale-wala na antasMagreresulta ito sa mga device na may napakahabang habang-buhay kumpara sa kasalukuyang pamantayan.
Mga pangunahing konsepto ng quantum: superposisyon, pagkakaugnay, at superabsorption
Para maunawaan kung bakit napakabilis mag-charge ng isang quantum battery, kailangan nating tingnan ang tatlong pangunahing ideya mula sa quantum physics: pagsasanib, pagkakabuhol-buhol, at mga kolektibong epekto tulad ng superabsorptionHindi mo kailangang pumasok sa komplikadong matematika, pero kailangan mong tanggapin na, sa subatomic scale, hindi gumagana ang mga bagay-bagay katulad ng sa makroskopikong mundo.
Sa superposisyon, ang isang sistemang quantum ay maaaring sa ilang estado ng enerhiya nang sabay-sabay hanggang sa ito ay masukat. Sa teorya, pinapayagan nito ang isang quantum battery na mag-imbak ng enerhiya sa isang uri ng kombinasyon ng maraming antas ng enerhiya nang sabay-sabay, na nagpapataas sa densidad ng enerhiya na maaaring maipon sa napakaliit na volume.
Ang pagkakagulo ay isang mas taliwas sa intuwisyon na penomeno: maraming partikulo o quantum cell ang kumikilos na parang sila ay isang sistemang hindi mapaghihiwalayAng nangyayari sa isang selula ay agad na nakakaapekto sa iba, kahit na magkahiwalay ang mga ito. Sa konteksto ng isang baterya, pinapayagan nito ang nagtutulungan ang mga storage cell habang nagkakarga at nagbababa, sa halip na magtrabaho nang nakapag-iisa.
Mula sa kolaborasyong iyon ay nagmumula ang tinatawag na superabsorptionSa isang klasikal na sistema, kung magdadagdag tayo ng mas maraming molekula o selula, ang kapasidad na sumipsip ng enerhiya ay lumalaki nang linear: doble ang bilang ng mga selula, doble ang pagsipsip. Sa isang magkakaugnay at magkakaugnay na sistemang quantum, ang pagsipsip ay maaaring lumago sa paraang... superlinear o superekstensibohabang tumataas ang bilang ng mga cell, mas mabilis na lumalaki ang lakas ng pag-charge kaysa sa laki ng sistema.
Nangangahulugan ito na ang isang mas malaking bateryang quantum ay maaaring mas mabilis pang mag-charge kaysa sa maliit naAng mga molekula ay humihinto sa pag-uugali na parang mga indibidwal na kubo sa ulan at sa halip ay gumaganap bilang isang uri ng "supermolecule" na kumukuha ng enerhiya ng liwanag nang may mas mataas na kahusayan. Ito ang pagbabago ng paradigma na nagpapaganda sa teknolohiyang ito para sa enerhiya ng hinaharap.
Ang unang gumaganang prototype: ang organikong microcavity ng Australia
Ang pinakanasasalat na pagpapakita ng lahat ng ito ay nagmumula sa pangkat na pinamumunuan ni James Quach at Kieran Hymas, na nauugnay sa CSIRO at sa University of Adelaide. Pagkatapos ng ilang taon na pagtatrabaho sa mga modelo at bahagyang prototype, nagawa nilang bumuo ng isang bateryang quantum na gumagana nang maayos na kayang kumpletuhin ang isang buong siklo pag-charge, pag-iimbak at pagdiskarga ng enerhiya.
Ang iyong aparato ay batay sa isang organikong mikrokatibidadMaaari itong isipin bilang isang maliit na sandwich ng maingat na nakasalansan na mga materyales. Sa puso ng sistema ay isang napakanipis na patong ng isang low-mass molecular semiconductor na nakakalat sa isang polymer matrixAng aktibong patong na ito ay idinedeposito gamit ang mga tumpak na pamamaraan, tulad ng spin coating, at inilalagay sa pagitan ng dalawang dielectric mirror na bumubuo sa optical cavity.
Ang tungkulin ng microcavity na ito ay pilitin ang isang malakas na ugnayan sa pagitan ng liwanag at materyaKapag pumapasok ang mga photon sa lukab, nakukulong ang mga ito sa pamamagitan ng pagtalon sa pagitan ng mga salamin at sumasama sa mga nasasabik na estado ng mga organikong molekula, na nagbibigay-daan sa mga hybrid na estado ng light-matter. Sa estadong ito, ang mga molekula ay tumitigil sa pagkilos nang nakapag-iisa at nagiging... mag-oscillate at sumipsip ng enerhiya sa isang koordinadong paraan.
Sa mga nakaraang eksperimento, naipakita na ng grupong ito na, noong pagpapalaki ng laki ng lukab at ang bilang ng mga molekulaNabawasan ang oras ng pag-charge dahil sa superabsorption. Gayunpaman, ang mga prototype na ito ay may pangunahing limitasyon: hindi nila kaya kunin ang nakaimbak na enerhiya at i-convert ito sa kapaki-pakinabang na kuryenteSa madaling salita, nag-charge ang mga ito, ngunit hindi sila gumana bilang isang buong baterya.
Ang bagong akdang inilathala sa journal na Light: Science & Applications ay lumulutas sa problemang iyan. Idinagdag ng pangkat karagdagang mga layer para sa transportasyon ng kargamento sa loob ng istruktura, na nagpapahintulot sa excitonic energy na kolektahin at baguhin sa isang masusukat na kuryente. Sa ganitong paraan, ang aparato ay hindi na lamang isang "light reservoir" at nagiging isang bateryang quantum na gumagana sa temperatura ng silid.
Matinding bilis ng paglo-load at kasalukuyang mga limitasyon ng prototype
Isa sa mga pinakakapansin-pansing katangian ng prototype na ito ay ang oras ng pag-charge nito. Nagcha-charge ang baterya sa loob lamang ng ilang minuto. mga femtosecondIbig sabihin, sa isang pagitan na katumbas ng isang milyon ng isang trilyon ng isang segundo. Para mabigyan ka ng ideya, kung isasalin natin ang pagganap na ito sa isang baterya para sa pang-araw-araw na paggamit, pag-uusapan natin ang tungkol sa halos agarang pag-charge para sa mga mobile phone, computer o mga de-kuryenteng sasakyan.
Sa kabilang dulo, ang ipinakitang oras ng pag-iimbak ay nasa sukat ng mga nanosegundohumigit-kumulang isang milyong beses na mas mahaba kaysa sa oras ng pag-charge. Karaniwan itong ipinapaliwanag ni Quach gamit ang isang simpleng analohiya: kung ang baterya ay nag-charge sa loob ng isang minuto sa parehong bilis, maaari itong panatilihin ang karga sa loob ng maraming taonIto ay isang grapikong paraan ng paglalarawan ng napakalaking bentahe sa mga tuntunin ng ratio sa pagitan ng oras ng paglo-load at oras ng pagpapanatili, kahit na tayo ay nasa isang maliit na sistema pa rin.
Ang problema ay ang ganap na dami ng nakaimbak na enerhiya Napakababa pa rin nito. Pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga order ng magnitude na bilyun-bilyong electronvolts, isang bilang na pakinggan na malakas ngunit, sa praktikal na termino, ay halos wala. Hindi ito sapat para mapagana kahit ang pinakasimpleng elektronikong aparato na ginagamit natin araw-araw.
Bukod pa rito, ang katotohanan na ang Ang quantum coherence ay nawawala sa loob ng mga nanosegundo Ito ay radikal na naglilimita sa mga agarang aplikasyon. Ang pagpapanatili ng isang quantum system na nakahiwalay mula sa mga vibrations, thermal fluctuations, at mga panlabas na field ay isang napakalaking hamon. Ang "decoherence" na ito ang malaking kaaway ng pareho mga bateryang kwantum tulad ng sa mga quantum computer, at pinipilit tayong magtrabaho pansamantala sa mga mikroskopikong iskala at sa mga kapaligirang lubos na kinokontrol.
Ang lahat ng ito ay nagtutulak sa mga mananaliksik mismo na maging maingat sa kanilang mga pangako. Kinikilala nila na, bagama't ang prototype ay isang mahalagang patunay ng konsepto, malayo pa rin tayo sa nakikitang mga bateryang quantum sa mga de-kuryenteng sasakyan, mga mobile phone o mga sistema sa bahayAng mga susunod na hakbang ay kinabibilangan ng pagpapalaki ng aparato, pagpapabuti ng arkitektura ng cavity, at higit sa lahat, pahabain ang mga oras ng pag-iimbak ng enerhiya nang hindi nawawala ang mga bentahe ng superabsorption.
Mga pinakamalapit na aplikasyon: mga quantum computer at mga high-precision device
Kung saan ang teknolohiyang ito ay maaaring magkaroon ng pinakamabilis na epekto ay sa larangan ng quantum computingAng mga kompyuter na ito ay gumagana gamit ang mga qubit na kailangang kontrolin nang may matinding katumpakan at kadalasan sa napakababang temperatura. Ang pagkakaroon ng pinagmumulan ng kuryente batay sa ang parehong mga prinsipyong kwantum na namamahala sa lohika ng processor ay maaaring magbigay ng mga makabuluhang bentahe.
Ilang teoretikal na pag-aaral ang nagmumungkahi na ang mga bateryang quantum ay maaaring nawawalang piraso upang palakihin ang mga quantum computer patungo sa mga sukat na kapaki-pakinabang sa industriya. Sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga pagsabog ng enerhiya na perpektong naka-synchronize sa mga quantum state ng mga qubit, magagawa nila bawasan ang mga pagkalugi, pagbutihin ang katatagan at i-optimize ang kontrol sa mga pinakakumplikadong algorithm.
Isinasaalang-alang din ang mga gamit sa mga sistemang nangangailangan ng napakabilis na paglabas ng enerhiya sa mga napakaikling takdang panahon, tulad ng ilang uri ng quantum sensor, mga sopistikadong aparatong medikal, o maging ang mga elemento ng komunikasyon at satellite kung saan kritikal ang tiyempo at lakas sa maiikling peak.
Isa pang kawili-wiling aplikasyon na sinusuri ay ang remote wireless singilinAng ilang mga disenyo, kabilang ang isang kamakailang panukala ng Tsina, ay nagmumungkahi ng paggamit ng mga magnetic field na nalilikha ng maliliit na metal tubes sa loob ng baterya upang payagan ang contactless charging na may kaunting pagkasira. Sa isang mainam na senaryo, ang mga device tulad ng mga drone, kotse, o sensor na nakakalat sa buong lungsod ay maaaring tumanggap ng ganap na kapangyarihang pang-operasyon nang hindi na kailangang huminto o magsaksak.
Kung iisipin ang paglukso sa mas malaking saklaw, maaari tayong umabot sa punto kung saan mga relo, pacemaker, smartphone, laptop, o sasakyan Magkakarga ang mga ito sa loob ng ilang segundo at mangangailangan ng kaunting maintenance sa buong buhay ng mga ito. Gayunpaman, kinikilala mismo ng mga eksperto na ang mga pangitaing ito, gaano man kaakit-akit, ay kailangan pa ring malampasan. napakalaking teknikal na hamon na magiging pangkaraniwan.
Ang mga teknikal na hamon: decoherence, katatagan, at scalability ng teknolohiya
Ang pangunahing balakid na kinakaharap ng mga bateryang quantum ay ang pagpapanatili ng magkakaugnay na mga estadong quantum sa loob ng sapat na panahonAnumang interaksyon sa kapaligiran—mga panginginig ng boses, pagbabago ng temperatura, electromagnetic noise—ay maaaring sumira sa maselang pagkakabuhol na nagpapangyari sa superabsorption. Ang prosesong iyon, ang decoherenceIto ang nagiging sanhi ng paglipat ng sistema mula sa kolektibong quantum na pag-uugali patungo sa klasikal at hindi gaanong mahusay na pag-uugali.
Sa mga kasalukuyang eksperimento, ang mga oras ng pagpapanatili ng enerhiya ay sinusukat sa mga nanosegundo o mikrosegundoSapat na ito upang maipakita ang pisika ng penomeno, ngunit napakalayo nito sa mga light-years mula sa kakailanganin ng isang praktikal na aparato, dahil dapat nitong mapanatili ang enerhiya sa loob ng ilang minuto, oras, o araw. Ang pagpapahaba ng mga panahong ito nang hindi nawawala ang kolektibong pag-uugali ng quantum ay isa sa mga pangunahing larangan ng pananaliksik.
Ang isa pang hamon ay ang teknolohiya scalingAng matatag na pagsasanib ng milyun-milyon o bilyun-bilyong quantum cells ay hindi isang simpleng bagay. Nangangailangan ito ng mahusay na kontrol sa paggawa ng mga microcavity, mga organikong materyales o superconducting, at ang arkitektura ng mga waveguide o circuit. Anumang depekto o kawalaan ng simetriya ay maaaring makasira sa simetriya na kinakailangan para makapasok ang sistema sa ekwilibriyo. madilim o sobrang sumisipsip na estado ninanais.
Ang ilang grupo, tulad ng mga nasa University of Pisa o ng PSL Research University sa Paris, ay nag-iimbestiga sa paggamit ng mga circuit ng superconducting na mababa ang temperatura upang ipatupad ang mga bateryang quantum. Ang mga materyales na ito ay halos walang resistensya sa kuryente, na nakakatulong na mabawasan ang mga pagkalugi. Sa ngayon, ang kanilang mga panukala ay nananatiling teoretikal, ngunit nag-aalok ang mga ito alternatibong mga ruta ng disenyo lampas sa mga organikong microcavity.
Bukod pa rito, may ikatlong problema: ang industriyal na pagmamanupakturaAng paglipat mula sa isang prototype sa laboratoryo sa iskala ng micrometer o nanometer patungo sa mga komersyal na aparato na isinama sa mga panel, kotse, o power grid ay nangangailangan ng pagbuo ng mauulit, mura, at matatag na mga proseso ng produksyon. Kabilang dito ang pag-master sa thin-film deposition, integrasyon sa mga classical electronics, at malawakang quantum quality control ng materyal.
Ang kontribusyon ng topolohiya at ang pinaka-advanced na mga panukalang teoretikal
Kasama ng mga eksperimental na prototype, pinagbubuti rin ng komunidad ng mga siyentipiko ang teorya upang makahanap ng mga disenyo para sa mga quantum na baterya. mas matatag at mas mahusay sa ilalim ng mga kondisyon sa totoong mundoIsang pangunahing halimbawa ay ang magkasanib na gawain ng RIKEN Center for Quantum Computing at Huazhong University of Science and Technology sa Tsina, na nagmumungkahi na gamitin ang mga konsepto ng topolohiya upang mapabuti ang paghahatid at pag-iimbak ng enerhiya.
Ang topolohiya ay isang sangay ng matematika na nag-aaral ng mga katangian ng mga sistema na hindi sila nagbabago sa ilalim ng patuloy na mga deformasyonKung ilalapat sa photonics at quantum systems, pinapayagan nito ang pagdidisenyo ng mga istruktura, tulad ng mga topolohikal na photonic waveguide, kung saan ang enerhiya ay maaaring gumalaw nang halos walang pagkawala o pagkakalat, kahit na ang midyum ay hindi perpekto.
Ipinapakita ng pagsusuri ng mga mananaliksik na ito na ang isang quantum battery na dinisenyo gamit ang mga photonic waveguide at mga atomong may dalawang antas Halos perpektong mailipat nito ang enerhiya sa pagitan ng iba't ibang bahagi ng sistema. Bukod pa rito, tinutukoy nila ang mga konfigurasyon kung saan ang aparato ay halos hindi tinatablan ng pagkalat, isa sa mga pangunahing problema pagdating sa pagpapanatili ng quantum coherence at efficiency.
Ang ideya ay, sa pamamagitan ng pagsasamantala sa mga katangiang topolohikal, posible na makamit iyon Ang enerhiya ay dumadaloy sa pamamagitan ng "mga protektadong channel" sa loob ng baterya, upang ang mga depekto, dumi, o maliliit na pagkakaiba-iba sa materyal ay magkaroon ng kaunting epekto. Bagama't ang mga ito ay kasalukuyang teoretikal na resulta, nag-aalok ang mga ito ng Isang mahalagang gabay para sa disenyo ng mga bateryang topological quantum sa hinaharap na may mas mahusay na mga tampok.
Ayon sa unang awtor ng akdang iyon, si Zhi-Guang Lu, ang mga panukalang ito ay nakakatulong na malampasan ang mga praktikal na limitasyon ng mga bateryang quantum na dulot ng paghahatid ng malayuan at pagwawaldas ng enerhiyaKung maisasalin ang mga ideyang ito sa laboratoryo, makakakita tayo ng mga lubos na mahusay na aparato sa pag-iimbak ng microenergy, na gaganap ng mahalagang papel sa mga network ng sensor, naka-embed na elektroniko, at ipinamamahaging quantum computing.
Potensyal na epekto sa enerhiya at teknolohiya sa hinaharap
Kung ang lahat ng mga linyang ito ng pananaliksik ay magbubunga, ang mga bateryang quantum ay may potensyal na baguhin nang lubusan ang pag-iimbak ng enerhiya kapwa sa maliit at malaking saklaw. Halimbawa, sa electric mobility, papayagan nila ang mag-charge ng kotse sa oras na maihahambing sa pagpuno ng tangke ng gasolina, na nag-aalis ng isa sa mga pangunahing balakid sa kasalukuyang pag-aampon ng mga de-kuryenteng sasakyan.
Sa mga elektronikong pangkonsumo, maaaring i-charge ang isang smartphone, laptop, o smartwatch sa tanong ng segundo at gumagana nang ilang araw o linggo, lahat nang halos walang pagkasira sa paglipas ng mga taon. Lubos nitong babaguhin ang ating relasyon sa mga device, kung saan ang "pagkabalisa sa baterya" ay hindi na magiging pang-araw-araw na problema.
Sa mga larangang industriyal at siyentipiko, ang mga bateryang quantum ay maaaring maging perpekto para sa pagpapagana ng mga sistemang nangangailangan ng... mga taluktok ng kuryente na lubos na puro sa napakaliit na panahon: mula sa mga makabagong kagamitan sa magnetic resonance hanggang sa mga particle accelerator, mga sistema ng komunikasyon sa satellite o mga kritikal na instrumentong pang-emerhensya.
Higit pa rito, sa pamamagitan ng hindi depende sa mga nasusunog na electrolyte o mga kumplikadong reaksiyong kemikalAng mga bateryang ito ay likas na mas ligtas laban sa mga aberya, sobrang pag-init, o mga short circuit. At, kasama ang posibilidad ng wireless charging sa pamamagitan ng mga laser o magnetic field, magbubukas ang mga ito ng pinto sa imprastraktura ng enerhiyang wireless, kung saan ang enerhiya ay dumadaloy patungo sa mga aparato nang halos hindi nakikita.
Ang lahat ng ito ay nakakatulong sa pangitain ng isang mas magandang kinabukasan. napapanatiling at mahusayAng isang halos perpektong sistema ng pag-iimbak ng enerhiya, na may kaunting pagkalugi at halos walang katapusang mga siklo, ay lubos na makakabawas sa pangangailangang gumawa at mag-recycle ng mga baterya gamit ang mga mahahalagang materyales, at magiging lubos na akma sa... pagpapalawak ng renewable energy, na nangangailangan ng maraming nalalaman at mabilis na solusyon sa pag-iimbak.
Gayunpaman, hanggang sa araw na ito, iginigiit mismo ng komunidad ng mga siyentipiko na kailangan natin isang dekada o higit pa upang makita ang mga unang malinaw na komersyal na aplikasyon ng mga bateryang quantum sa pang-araw-araw na mga elektronikong aparato. Samantala, makikita natin mga lalong sopistikadong prototype, mga pagpapabuti sa mga oras ng pagpapanatili, at mga hybrid na disenyo na pinagsasama ang bilis ng quantum at ang kapasidad ng mga klasikong baterya.
Dahil sa lahat ng aktibidad na nagaganap sa mga laboratoryo sa Australia, Europa, at Asya, ang mga quantum batteries ay itinatatag ang kanilang mga sarili bilang isa sa mga pinakapangakong teknolohiya sa abot-tanaw ng enerhiya: isang larangan kung saan ang liwanag, mga atomo, at ang pinakakakaibang mga prinsipyo ng pisika ay nagsasama-sama upang lumikha ng isang senaryo kung saan Ang pag-charge ng device ay dapat na halos kasingdali at kasing hindi nakikita ng pagbukas ng ilaw..
