Kvantne baterije donose revoluciju

Po prvi put, istraživači, uključujući one sa Sveučilišta u Tokiju, iskorištavaju prednosti neintuitivnog kvantnog procesa koji zanemaruje konvencionalni pojam uzročnosti kako bi poboljšali performanse takozvanih kvantnih baterija, približavajući ovu tehnologiju budućnosti malo bliže stvarnosti.

Kvantna fizika upravlja subatomskim svijetom, a razvoj kvantnih računala obično zauzima naslove u medijima, no postoje i druge nadolazeće kvantne tehnologije na koje vrijedi obratiti pozornost.

Jedna takva je kvantna baterija koja ima neistražen potencijal za održiva energetska rješenja i moguću integraciju u buduća električna vozila. Već sada bi ovi novi uređaji mogli pronaći primjenu u raznim prijenosnim aplikacijama i aplikacijama niske potrošnje, osobito kada su prilike za ponovno punjenje rijetke. 

Trenutačno kvantne baterije postoje samo kao laboratorijski eksperimenti, a istraživači diljem svijeta rade na različitim aspektima za koje se nadaju da će se jednog dana spojiti u potpuno funkcionalnu i praktičnu primjenu.

Student diplomskog studija Yuanbo Chen i izvanredni profesor Yoshihiko Hasegawa s Odsjeka za informacijski i komunikacijski inženjering na Sveučilištu u Tokiju istražuju najbolji način punjenja kvantne baterije. Jedna od prednosti kvantnih baterija je ta da bi trebale biti nevjerojatno učinkovite, ali to ovisi o načinu na koji se pune. 

"Sadašnje baterije za uređaje male snage, kao što su pametni telefoni ili senzori, obično koriste kemikalije kao što je litij za pohranjivanje naboja, dok kvantna baterija koristi mikroskopske čestice poput nizova atoma", rekao je Chen. "Dok su kemijske baterije podložne klasičnim zakonima fizike, mikroskopske čestice su kvantne prirode, tako da imamo priliku istražiti načine njihove upotrebe koji narušavaju ili čak razbijaju naše intuitivne predodžbe o tome što se događa u malim razmjerima. Posebno me zanima način na koji kvantne čestice mogu djelovati na narušavanje jednog od naših najosnovnijih iskustava, iskustva vremena." 

U suradnji s istraživačem Gaoyanom Zhuom i profesorom Peng Xueom iz Pekinškog istraživačkog centra za računalnu znanost, tim je eksperimentirao s načinima punjenja kvantne baterije pomoću optičkih uređaja kao što su laseri, leće i zrcala, ali način na koji su to postigli zahtijevao je kvantni učinak gdje događaji nisu uzročno-posljedično povezani na način kao svakodnevne stvari.

Ranije metode punjenja kvantne baterije uključivale su niz faza punjenja jednu za drugom. Međutim, ovdje je tim upotrijebio novi kvantni učinak koji nazivaju neodređeni uzročni poredak ili ICO. U klasičnom području uzročnost slijedi jasan put, što znači da ako događaj A vodi do događaja B, tada je isključena mogućnost da B uzrokuje događaj A. Međutim, na kvantnoj razini, ICO dopušta postojanje oba smjera kauzalnosti u onome što je poznato kao kvantna superpozicija, gdje oba mogu biti istovremeno točna. 

"S ICO-om smo pokazali da način na koji punite bateriju sastavljenu od kvantnih čestica može drastično utjecati na njezinu izvedbu", rekao je Chen. "Vidjeli smo velike dobitke u energiji pohranjenoj u sustavu i toplinskoj učinkovitosti. I pomalo kontraintuitivno, otkrili smo iznenađujući učinak interakcije koja je obrnuta od onoga što biste mogli očekivati: punjač manje snage mogao bi pružiti više energije s većom učinkovitošću nego punjač usporedive veće snage koji koristi isti uređaj." 

Fenomen ICO-a koji je tim istraživao mogao bi se koristiti izvan punjenja nove generacije uređaja male snage. Temeljni principi, uključujući inverzni učinak interakcije koji je ovdje otkriven, mogli bi poboljšati izvedbu drugih zadataka koji uključuju termodinamiku ili procese koji uključuju prijenos topline. Jedan obećavajući primjer su solarni paneli, gdje toplinski učinci mogu smanjiti njihovu učinkovitost, ali ICO bi se mogao koristiti za njihovo ublažavanje i umjesto toga dovesti do povećanja učinkovitosti. 

Znanstveni rad objavljen u časopisu Physical Review Letters možete pronaći na ovoj poveznici.