Квантовая батарейка: принцип работы и чем она лучше обычной

Австралийские учёные впервые собрали квантовую батарейку, которая выполняет полный цикл: заряжается, хранит энергию и отдаёт её в виде электрического тока. Прототип заряжается лазером за фемтосекунды, а хранит энергию в миллион раз дольше, чем длится зарядка. Даже на фоне разработок с зарядкой за 5 минут это выглядит как технология из совсем другой лиги. Это похоже на телефон, который заряжается за полчаса, а работает больше ста лет, только промежутки времени на деле пока гораздо меньше.

Это устройство — первая в мире полнофункциональная экспериментальная квантовая батарея

*фемтосекунда — одна квадриллионная часть секунды. 1 фс = 10⁻¹⁵ с

Квантовая батарейка: чем отличается от обычной

Обычные батареи — литий-ионные, свинцово-кислотные, любые привычные — хранят энергию благодаря химическим реакциям. Ионы перемещаются между электродами, и так батарея заряжается и разряжается. Квантовая батарейка работает совсем иначе: вместо химических реакций она использует принципы квантовой механики — суперпозицию и взаимодействие между светом и электронами, что потенциально позволяет заряжаться гораздо быстрее.

Если совсем просто: в обычной батарее каждая молекула поглощает энергию по отдельности, как люди в очереди за кофе — по одному. В квантовой батарее работает явление «суперабсорбции» — энергия поглощается коллективно, а не по одной молекуле за раз, и это позволяет системе принимать энергию быстрее, чем предсказывают классические модели.

Представьте, что вместо очереди все получают свой кофе одновременно — и чем больше людей, тем быстрее каждый обслуживается. Именно так ведут себя молекулы в квантовой батарейке.

Сравнение принципа работы обычной и квантовой батареи

Как устроена квантовая батарейка: первый прототип

Батарея представляет собой многослойную органическую микрополость (микрокавити) и заряжается беспроводным способом — с помощью лазера. По описанию ведущего исследователя доктора Джеймса Куача из CSIRO, микрополость — это крошечный многослойный «сэндвич» из нескольких разных материалов, который улавливает свет определённым образом.

Прототип развивает работу 2022 года, когда та же команда впервые показала экзотическое поведение квантовых батарей: время зарядки снижалось пропорционально 1/√N, где N — число молекул. Но тот прототип не умел отдавать накопленную энергию в виде тока.

В новом устройстве добавлены дополнительные слои, которые преобразуют энергию в электрический ток — и это стало ключевым шагом к практической квантовой батарее. Платформа суперэкстенсивно захватывает световую энергию и впервые обеспечивает полный цикл заряда-разряда квантовой батареи.

Лаборатория CSIRO, где собирают прототипы квантовых батарей

С помощью сверхточной спектроскопии команда подтвердила, что прототип хранит энергию на шесть порядков дольше, чем длится его зарядка. Шесть порядков — это разница в миллион раз. Батарейка заряжалась за фемтосекунды (квадриллионные доли секунды) и удерживала заряд наносекунды. Да, цифры пока малы, но сама логика крайне важна: в мире новых накопителей куда сложнее не быстро зарядить систему, а надолго удержать в ней энергию — и мы уже рассказывали, как учёные пытаются хранить энергию 100 лет.

Почему квантовая батарейка заряжается быстрее, если она больше

Это, пожалуй, самое контринтуитивное свойство квантовых батарей. Все мы привыкли: маленький смартфон заряжается за пару часов, а большой электромобиль — всю ночь. Чем больше ёмкость, тем дольше ждать. Квантовые батареи ведут себя ровно наоборот — они заряжаются быстрее, когда становятся крупнее. Современные батареи так не работают.

Причина — в так называемых коллективных квантовых эффектах. Если квантовая батарея имеет N ячеек и каждая в отдельности заряжается за секунду, то при совместной зарядке каждая ячейка потратит только 1/√N секунды. Удвоите размер батареи — и зарядка займёт чуть больше половины прежнего времени.

Будь в курсе новых событий по максимуму — подписывайся на наш канал в Max!

Суперабсорбция возникает благодаря конструктивной интерференции — когда волны складываются и дают больший эффект, чем каждая по отдельности. Молекулы в условиях когерентности поглощают свет эффективнее, чем если бы каждая действовала отдельно. Чем больше молекул, тем больше путей для конструктивной интерференции.

И ещё один неожиданный поворот. Обычно квантовые системы страдают от декогеренции — потери квантовых свойств из-за воздействия среды. Но в случае квантовой батареи некоторое количество декогеренции помогает стабилизировать запасённую энергию: когерентность обеспечивает быструю зарядку, а декогеренция не даёт энергии тут же высвободиться.

Сколько энергии хранит квантовая батарейка и где её применят

Прежде чем представлять себе смартфоны будущего, стоит приземлиться. Ёмкость нынешних квантовых батарей составляет всего 5 миллиардов электронвольт, а заряд они удерживают лишь несколько наносекунд — этого слишком мало, чтобы питать обычные устройства вроде телефона. Для масштаба: 5 миллиардов электронвольт — это примерно одна двухсоттысячная энергии летящего комара.

Но это первый в мире прототип, выполняющий полный цикл — зарядка, хранение, разрядка. Профессор химической физики из RMIT Даниэль Гомес назвал устройство «самым близким приближением к работающей квантовой батарее, которое когда-либо было получено». И важно: в отличие от конкурирующих подходов (например, сверхпроводящих кубитов), австралийский прототип работает при комнатной температуре — без дорогостоящего криогенного охлаждения.

Где такие батареи могут пригодиться в первую очередь? Квантовые батареи могут идеально подойти для питания квантовых устройств — в частности, квантовых компьютеров. Они могут стать именно тем решением, которое нужно квантовым компьютерам для масштабирования. А в далёком будущем, по мнению авторов, технология может найти применение в электромобилях и дронах — вплоть до зарядки прямо на лету лазерным лучом.

Концепция будущего: электромобиль заряжается лазером прямо на ходу

Что мешает массовому применению квантовых батарей

Исследователи подчёркивают: впереди серьёзные технические вызовы. Главное ограничение — удержание энергии: система быстро заряжается, но хранить запасённую энергию в течение полезного времени пока не получается. По словам доктора Куача, ближайшая задача — продлить время хранения энергии. Если удастся преодолеть этот барьер, команда будет ближе к коммерчески жизнеспособным квантовым батареям.

Команда CSIRO уже исследует гибридные конструкции, которые объединят исключительную скорость зарядки квантовых батарей с длительным хранением обычных, создавая системы на стыке квантовой и классической физики. Это особенно интересно на фоне работ по материалам нового поколения, которые уже сейчас позволяют заряжать батареи быстрее и без риска возгорания.

Стоит упомянуть, что незадолго до публикации CSIRO команда из Южного университета науки и технологий Китая совместно с испанским Национальным исследовательским советом продемонстрировала альтернативный подход — сверхпроводящую квантовую батарею на 12 кубитах, которая заряжается вдвое быстрее классического аналога. Глобальная гонка за квантовое хранение энергии набирает обороты.