Квантовый прорыв: батарея, которая заряжается быстрее при увеличении размера

Парадокс квантового ускорения заряда

Большинство инженеров привыкли к простому правилу: чем больше емкость традиционного аккумулятора, тем дольше он заряжается. Больше мощности - больше времени. Это интуитивно понятный принцип, который редко подвергается сомнению. Однако доктор Джеймс Куач из CSIRO, австралийского национального агентства по науке, поставил этот постулат под сомнение. Годы его исследований в области квантовой науки привели к созданию класса устройств хранения энергии, чьи свойства показались бы вашему смартфону фантастикой.

В отличие от обычных батарей, добавление новых накопительных ячеек в квантовую батарею не замедляет, а ускоряет процесс зарядки. Результаты исследования, опубликованные в журнале Light: Science & Applications под заголовком “Superextensive electrical power from a quantum battery”, представляют собой первое полнофункциональное доказательство концепции, демонстрирующее полный цикл зарядки, хранения и разрядки. Работа вызвала значительный резонанс, получив высокий балл Altmetric, что ставит ее в ряд наиболее обсуждаемых научных публикаций в мире.

Само устройство крошечное: многослойная органическая микрополость размером с поперечное сечение человеческого волоса, заряжаемая беспроводным способом с помощью лазера. На данном этапе оно не предназначено для масштабного хранения энергии, но его значение заключается в демонстрации фундаментального физического принципа.

Суть квантового эффекта

Ключевое открытие заключается в следующем: если квантовая батарея имеет N накопительных ячеек, и каждая из них заряжается за одну секунду в отдельности, то одновременная зарядка всех N ячеек занимает всего 1/√N секунды на каждую. Удвоение числа ячеек с четырех до шестнадцати сокращает время зарядки каждой ячейки вдвое. При масштабировании до миллиона ячеек каждая будет заряжаться за миллисекунду.

Эта математика контринтуитивна, но физика реальна. Свойство, известное как суперинтексивность, при котором отклик системы растет суперлинейно с ее размером, обусловлено коллективными квантовыми эффектами. Когда накопительные ячейки взаимодействуют коллективно через сильное свето-материальное сопряжение, индуцированное геометрией микрополости, они перестают вести себя как независимые элементы и начинают функционировать как единая когерентная система. Целое становится больше суммы его частей.

Команда Куача продемонстрировала, что этот эффект проявляется не только в динамике зарядки, но и в установившемся электрическом выходе. “Наши выводы подтверждают фундаментальный квантовый эффект, который полностью противоречит интуиции: квантовые батареи заряжаются быстрее по мере увеличения их размера”, - пояснил Куач. “Современные батареи так не работают”.

Что отличает эту работу от предыдущих теоретических исследований, так это демонстрация полного цикла. Предыдущие исследования квантовых батарей демонстрировали зарядку или суперинтексивность в изоляции. Эта архитектура впервые замыкает цикл, включая зарядку, хранение и разрядку электрического тока с использованием некогерентного низкоинтенсивного света. Команда использовала передовую спектроскопию для проверки поведения при зарядке, подтвердив, что устройство сохраняло накопленную энергию в шесть порядков дольше, чем сам процесс зарядки.

Шесть порядков - это впечатляющий показатель. Однако есть нюанс: процесс зарядки занимает от фемтосекунд до пикосекунд. Это означает, что хранение энергии происходит в диапазоне наносекунд. Этого времени, прямо скажем, совершенно недостаточно для большинства практических применений, таких как электромобили, сетевое хранение энергии или портативная электроника.

От лаборатории к рынку: долгий путь

Текущая разработка является доказательством того, что фундаментальная физика работает. Квантовый эффект реален, измерим и воспроизводим при комнатной температуре. Все остальное - долговечность, масштабирование, коммерческая жизнеспособность - относится к области инженерии и потребует многих лет работы. “Следующий шаг для квантовых батарей - это продление времени хранения энергии”, - отметил Куач. “Если мы сможем преодолеть это препятствие, мы будем ближе к коммерчески жизнеспособным квантовым батареям”.

Это осторожная формулировка ученого, осознающего дистанцию между доказательством концепции и реальным продуктом. CSIRO уже ищет партнеров для разработки, что указывает на стремление выйти за пределы лабораторных исследований. Можно провести аналогию с солнечными элементами в 1950-х годах: технология была реальностью с огромным теоретическим потенциалом, но требовала значительных инженерных усилий для коммерциализации.

Перспективы применения

Наиболее очевидным применением в краткосрочной перспективе является квантовые вычисления. Квантовые процессоры работают при криогенных температурах и требуют быстрой, точной и контролируемой подачи энергии. Наносекундное хранение энергии вполне подходит для этой задачи. Если квантовые батареи смогут обеспечивать быстрые, когерентные энергетические импульсы, необходимые квантовым схемам, более эффективно, чем существующие решения, это откроет реальный рынок, пусть и не тот, о котором пишут в автомобильных журналах.

В более отдаленной перспективе - беспроводная передача энергии. Заявленные амбиции Куача включают зарядку устройств на больших расстояниях или транспортных средств в движении. Механизм сильного свето-материального сопряжения, обеспечивающий квантовое преимущество, по своей природе совместим с фотонной передачей энергии: свет на входе, электричество на выходе. Это решает проблему проводных соединений. Преимущество в эффективности при низких уровнях освещенности, отмеченное в статье, намекает на потенциальное применение в маломощных сенсорных системах или спутниковых приложениях, где солнечный свет ограничен и каждый фотон имеет значение.

На данный момент результат, представленный в Light: Science & Applications, является элегантной, воспроизводимой демонстрацией при комнатной температуре того, что квантовая механика может быть использована для достижения того, чего не может достичь традиционная химия. Батарея, которая заряжается быстрее по мере увеличения ее размера, стала реальностью. Ей просто нужно время.