Ideja o funkcionalnoj kvantnoj bateriji prešla je iz teorije u laboratoriju . Grupa australijskih istraživača uspjela je izgraditi ono što se već smatra prvim kompletnim prototipom sposobnim za punjenje, skladištenje energije i njeno kontrolisano oslobađanje - nešto što je do sada istraživano samo na papiru ili uz djelimične demonstracije. Ovaj napredak otvara vrata novom načinu razumijevanja skladištenja energije, veoma različitom od klasičnih hemijskih baterija koje koristimo svaki dan.
Ono što ovaj razvoj čini posebno upečatljivim jeste to što se performanse baterije poboljšavaju kako uređaj postaje veći , suprotno od onoga što se dešava sa konvencionalnim baterijama. Tehnologija se oslanja na fenomene iz kvantne mehanike, kao što su superpozicija i preplitanje, kako bi se postiglo ultrabrzo punjenje, potencijalno bežično i daljinski, sa efikasnošću koja bi, ako se poveća, mogla trenutne litijum-jonske baterije svesti na zastarjelost.
Šta je tačno kvantna baterija?
Prije nego što se uđe u detalje, važno je razumjeti šta znači kada je baterija kvantna. Za razliku od tradicionalnih baterija, koje pohranjuju energiju putem elektrohemijskih reakcija unutar svojih ćelija, kvantna baterija koristi kvantna stanja čestica (kao što su atomi ili molekuli) za pohranjivanje potencijalne energije. Ova energija se "pohranjuje" kada se te čestice pobude na više energetske nivoe i potom se oslobađa na kontroliran način.
Strogo govoreći, nijedna baterija ne skladišti sirovu električnu energiju , već potencijalnu energiju koja se kasnije pretvara u električnu energiju ili neku drugu vrstu korisnog rada. Od litijumskih baterija u mobilnom telefonu do sistema zasnovanih na gravitaciji koji koriste snagu zgrada ili visokih konstrukcija, svi oni rade tako što skladište ovaj kapacitet za obavljanje rada i oslobađaju ga kada je potrebno. Kvantne baterije ne mijenjaju ovaj opšti princip, ali mijenjaju način na koji se on implementira.
Ključni proboj leži u činjenici da kvantna baterija iskorištava kvantno-mehaničke fenomene poput superpozicije i preplitanja . Umjesto oslanjanja na sporu migraciju iona kroz elektrolit, koristi kolektivna kvantna stanja koja omogućavaju mnogo bržu interakciju s ulaznom energijom, na primjer, svjetlošću lasera.
Još jedna važna razlika u odnosu na konvencionalne baterije je ta što interne jedinice za pohranu podataka u kvantnoj bateriji ne djeluju nezavisno . Daleko od toga da funkcionišu kao odvojene ćelije, njihovo ponašanje je snažno povezano: sistem se puni i razvija kao cjelina, što rezultira kolektivnim efektima koji se ne nalaze u konvencionalnoj elektronici.
To znači da povećanjem broja kvantnih jedinica koje čine bateriju, ne samo da se povećava kapacitet, već se i smanjuje vrijeme punjenja . Drugim riječima, većoj kvantnoj bateriji ne treba više vremena za punjenje, već kraće vrijeme - ponašanje potpuno suprotno od tehnologija koje danas koristimo.
Prvi radni prototip: ko stoji iza ovog otkrića
Ovaj važan događaj postigao je tim australijskih istraživača u saradnji sa naučnicima iz drugih zemalja. Među najistaknutijim imenima su James Quach iz australijske nacionalne naučne agencije CSIRO , kao i stručnjaci poput Jamesa Hutchinsona i Trevora Smitha sa Univerziteta u Melbourneu, Daniela Tibbena sa Univerziteta RMIT i Kierana Hymasa, također iz CSIRO-a. Nekoliko ovih centara je u prvim redovima najsavremenijih istraživanja u fotonici i kvantnim tehnologijama.
Ova grupa je objavila svoje rezultate u časopisu Light: Science & Applications , u tehničkom radu pod nazivom "Superekstenzivna električna energija iz kvantne baterije". Članak detaljno opisuje kako su prvi put postigli kompletan ciklus baterije: punjenje, skladištenje i pražnjenje energije u jednom funkcionalnom sistemu.
Koncept kvantne baterije nije nov: prvi put je predložen oko 2013. godine, a od tada su predstavljeni teorijski modeli i djelomične demonstracije. Međutim, nijedan od ovih dizajna nije uspio integrirati sve faze radnog ciklusa u jedan praktičan uređaj. Ili je demonstrirano punjenje, ali nije postojao koristan način za izdvajanje energije, ili su se potrebni uslovi (kao što su ekstremne temperature) pokazali nerealnim.
Quachov tim se bavi ovom idejom od 2018. godine. 2022. godine predstavili su prvi prototip koji je eksperimentalno demonstrirao ubrzano ponašanje punjenja s povećanjem veličine, koristeći vrlo složenu organsku mikrošupljinu - slojevitu strukturu koja je zarobljavala svjetlost na vrlo specifičan način. Međutim, toj verziji je nedostajao efikasan mehanizam za pretvaranje zarobljene energije u upotrebljivu električnu struju.
U svom novom radu, istraživači su napravili sljedeći korak: dodali su dodatne slojeve uređaju koji mu omogućavaju da transformiše tu uskladištenu energiju u električnu energiju . Na ovaj način, trenutni prototip ne samo da može puniti i držati energiju ograničeno vrijeme, već je i prazniti kao električnu struju, dovršavajući stvarni radni ciklus baterije.
Kako je kvantna baterija izgrađena i kako funkcioniše
Prototip koji je postao viralan u suštini je sićušni organski uređaj sastavljen od više slojeva , raspoređenih u neku vrstu nanometrijskog "sendviča". Ovaj dizajn je poznat kao organska mikrošupljina i posebno je dizajniran da vrlo efikasno interaguje sa laserskom svjetlošću.
Punjenje se vrši bežično: laserski snop pogađa uređaj i njegova energija se apsorbuje gotovo trenutno , u onome što istraživači opisuju kao epizodu "superapsorpcije". Umjesto da svaka unutrašnja baterijska jedinica apsorbuje svjetlost nezavisno, sistem se ponaša kao koherentna cjelina, gutajući energiju kolektivno i izuzetno brzo.
Nakon što je sistem pobuđen, energija se pohranjuje u kvantnim stanjima organskih komponenti mikrošupljine , analogno onome što se događa u atomima kada elektron skoči na višu energetsku orbitalu. Ova pohranjena energija se održava tokom kratkog, ali mjerljivog vremenskog intervala, nakon čega se može izdvojiti kao električna struja korištenjem slojeva dodanih najnovijoj verziji prototipa.
Da bi se postiglo ovo ponašanje, baterija se oslanja na kolektivne kvantne efekte . Mikroskopske jedinice koje je čine (kvantne ćelije) ne funkcionišu kao mali, izolovani blokovi, već kao jedinstven, koordinisan sistem u kojem su svi elementi snažno korelirani. Ovo spajanje rezultira vrlo specifičnom dinamikom punjenja.
Rezultat je da, kako se broj kvantnih ćelija povećava, ne samo da se povećava ukupni energetski kapacitet , već se povećava i brzina punjenja po ćeliji. To je ono što istraživači opisuju kao "superekstenzivno" ponašanje: snaga punjenja raste brže od veličine baterije.
Ključni fenomen: veća veličina, kraće vrijeme učitavanja
Kod litijum-jonskih ili olovno-kiselinskih baterija, kao što svaki korisnik zna, što je veći kapacitet, to je duže vrijeme punjenja . Mobilnom telefonu s velikom baterijom potrebno je znatno više vremena da dostigne 100% nego onom s malom baterijom, a električnom automobilu su potrebni sati da se potpuno napuni, dok se rezervoar benzina može napuniti za samo nekoliko minuta.
Kvantne baterije potpuno prkose ovoj intuiciji. Zbog efekata superpozicije i preplitanja, kvantne ćelije koje čine bateriju imaju koristi od usklađenog rada . Što je više ćelija povezano u uređaju, to je veći kolektivni dobitak brzine punjenja. Stoga istraživači tvrde: kvantne baterije se pune brže što su veće.
U trenutnom prototipu, izmjerena vremena su zapanjujuća: punjenje se odvija reda veličine femtosekundi (10⁻¹⁵ sekundi), dok se dobivena energija skladišti tokom nanosekundi (10⁻⁹ sekundi). Između ove dvije brojke postoji razlika od oko šest redova veličine.
Sam James Quach ilustruje ovo vrlo slikovitim primjerom: ako bi se konvencionalna baterija napunila za jednu minutu, ovaj odnos od šest redova veličine bi značio da bi mogla ostati napunjena oko dvije godine . U laboratoriji su apsolutne vrijednosti i dalje zanemarive, ali nesklad između vremena punjenja i vremena zadržavanja energije je ono što zaista uzbuđuje naučnu zajednicu.
Energetski kapaciteti koje postiže prototip su i dalje vrlo mali, reda veličine milijardi elektronvolti , brojka koja, iako impresivna, daleko je manja kada se prevede na energetske potrebe stvarnog elektronskog uređaja. Ipak, kao dokaz koncepta, pokazuje se da je fenomen superbrzog punjenja i kratkog, ali efikasnog skladištenja moguć u eksperimentalnom okruženju na sobnoj temperaturi.
Trenutna ograničenja i izazovi koje treba riješiti
Uprkos entuzijazmu, sami istraživači insistiraju da su kvantne baterije još uvijek daleko od komercijalne upotrebe . Količina energije koju prototip može pohraniti je zanemariva, a vrijeme koje održava tu energiju mjeri se u nanosekundama - djeliću sekunde što čini potpuno nemogućim napajanje mobilnog telefona, računara ili električnog automobila sa trenutnom tehnologijom.
Jedan od glavnih izazova je osigurati da kvantna stanja ostanu stabilna u suočavanju s poremećajima u okolini. Bilo kakva mala promjena temperature, vibracija ili elektromagnetne buke može uvesti dekoherenciju - to jest, prekinuti delikatnu kvantnu koordinaciju koja omogućava superapsorpciju i efikasno pražnjenje.
Prema riječima samog tima, sljedeći korak je povećanje veličine uređaja i značajno produženje vremena zadržavanja napunjenosti . Krajnji cilj je izgradnja hibridnih dizajna koji kombiniraju najbolje iz oba svijeta: brzinu kvantnog punjenja s robusnošću i kapacitetom skladištenja tradicionalnih baterija.
Još jedna briga je disipacija energije tokom procesa punjenja i pražnjenja . U stvarnom kvantnom sistemu, gubici zbog interakcije s okolinom mogu poništiti teorijske prednosti u praksi. Postizanje arhitektura koje minimiziraju ove gubitke jedno je od najaktivnijih područja istraživanja.
Pored eksperimentalnog rada u Australiji, teorijske grupe u drugim zemljama, poput Kine, fokusiraju se na pronalaženje konceptualnih okvira za povećanje robusnosti kvantnih baterija . Među ovim istraživačkim pravcima, ističe se korištenje ideja iz topologije za dizajniranje stabilnijih kvantnih baterija.
Topologija i kvantne baterije: teorijski doprinos Kine
Dok Quachova grupa napreduje u laboratoriji, drugi timovi rade na teorijskoj strani kako bi prevazišli praktična ograničenja. Istraživači iz RIKEN Centra za kvantno računarstvo i Univerziteta nauke i tehnologije Huazhong predložili su dizajn topološke kvantne baterije koja ima za cilj postizanje gotovo savršenog prijenosa energije i veće otpornosti na disipaciju.
U svojoj analizi, objavljenoj u časopisu Physical Review Journals , oni opisuju model zasnovan na fotonskim talasovodima i atomima na dva nivoa, u kojem topološka svojstva sistema omogućavaju da energija putuje s jednog kraja na drugi uz minimalne gubitke. Ovaj pristup koristi strukture koje ostaju nepromjenjive pri malim deformacijama , čineći proces punjenja i pražnjenja robusnijim na nesavršenosti uređaja u stvarnom svijetu.
Prema autorima, moguće je pronaći konfiguracije u kojima sistem postaje praktično imun na disipaciju , jednog od glavnih neprijatelja kvantnih baterija. Ako se ove vrste dizajna mogu prenijeti iz teorijske sfere u fizičke uređaje, mogle bi se prevazići neke od prepreka koje trenutno sprječavaju prelazak sa sićušnih prototipova na kvantne baterije s praktičnom primjenom.
Zhi-Guang Lu, glavni autor studije, naglašava da ova linija istraživanja nudi jasne smjernice za optimizaciju performansi kvantnih baterija u realnim uslovima . Krajnji cilj je ubrzati prelazak sa idealizovanih modela na uređaje za skladištenje mikroenergije koji mogu raditi izvan laboratorije.
Ovaj teorijski napor dopunjuje eksperimentalni rad timova poput australijskog, stvarajući istraživački ekosistem u kojem teorija vodi nove dizajne prototipova , a zauzvrat, praktični rezultati pružaju povratne informacije i prilagođavaju matematičke modele.
Potencijalne primjene: od kvantnog računarstva do električnih automobila
Kvantni računari rade po istim fizičkim zakonima koji upravljaju kvantnim baterijama i zahtijevaju visoko precizne i efikasne izvore energije za napajanje svojih osjetljivih komponenti. Kvantna baterija dizajnirana posebno za ove sisteme mogla bi obezbijediti koherentnu energiju na optimizovan način, smanjujući gubitke i poremećaje koji utiču na kubite.
Stručnjaci poput Andrewa Whitea, direktora laboratorije za kvantnu tehnologiju na Univerzitetu u Queenslandu , naglasili su da bi ove vrste uređaja mogle biti nedostajući dio potreban za skaliranje kvantnog računarstva do većih i korisnijih mašina. Činjenica da već postoji funkcionalni prototip pokazuje da kvantna baterija više nije samo nagađanje.
Gledajući dalje u budućnost, istraživači predviđaju primjene poput bežičnog punjenja dronova u letu ili vozila koja se pune tokom vožnje . Sposobnost kvantne baterije da apsorbuje lasersku svjetlost na daljinu, bez žica, otvara vrata scenarijima u kojima bi infrastruktura za punjenje bila veoma drugačija od one koja je danas.
James Quach je čak zamislio budućnost u kojoj električni automobili ne moraju biti zaustavljani na fiksnoj tački radi punjenja; umjesto toga, energija se dinamički dovodi dok je vozilo u pokretu. Sve ovo, naravno, zavisi od tehnologije koja savladava ogromne barijere obima i stabilnosti s kojima se još uvijek suočava.
Razlike u odnosu na litijum-jonske baterije i moguće prednosti
Litijum-jonske baterije su sada de facto standard u mobilnim telefonima, laptopima i električnim automobilima, ali dolaze s dobro poznatim ograničenjima : relativno dugo vrijeme punjenja, degradacija tokom ciklusa, rizik od pregrijavanja i ograničenja kapaciteta koja prisiljavaju na potragu za efikasnijim alternativama.
Teoretski, kvantna baterija bi mogla ponuditi mnogo brže punjenje i veću efikasnost u izvlačenju korisnog rada iz uskladištene energije. Oslanjajući se na kvantne fenomene, a ne na spore hemijske procese, brzina punjenja ne bi bila ograničena migracijom jona, a snaga generisana po jedinici zapremine mogla bi biti znatno veća.
Još jedna potencijalna prednost je da, ako se pravilno dizajniraju, kvantne baterije mogu raditi na sobnoj temperaturi bez potrebe za ekstremnom kriogenikom, što je ključni faktor za njihovu široku primjenu. Australijski prototip već radi u ambijentalnim uslovima, pokazujući da, barem u malom obimu, egzotično okruženje nije neophodno da bi se ovi efekti manifestovali.
Nadalje, mogućnost bežičnog punjenja na velike udaljenosti pomoću lasera predstavljala bi radikalnu promjenu u načinu na koji shvatamo infrastrukturu za punjenje. Zamislite distribuirane laserske stanice za punjenje koje napajaju dronove, daljinske senzore ili vozila, smanjujući potrebu za kablovima, utičnicama i produženim zastojima.
Međutim, savjetuje se oprez: ove prednosti su, za sada, uvjetna obećanja, ovisno o tome je li tehnologija skalabilna bez gubitka ključnih kvantnih svojstava . Dok se ne postignu uređaji s korisnim kapacitetima pohrane i znatno dužim vremenom zadržavanja energije, oni će ostati laboratorijski dodatak, a ne neposredna zamjena za trenutne baterije.
Rad različitih timova širom svijeta, od Australije do Kine, pokazuje da područje kvantnih baterija ulazi u fazu naučne zrelosti . Prvi funkcionalni prototipovi i napredni teorijski modeli ukazuju na to da ovo nije samo naučna fantastika, već tehnologija sa stvarnim potencijalom, iako još uvijek ograničena na vrlo male razmjere.
Današnja situacija s kvantnim baterijama podsjeća na onu s ranim kvantnim računarima: još uvijek skromni uređaji puni tehničkih izazova , ali koji su već prešli granicu između teorijske ideje i opipljivog eksperimenta. Ako istraživači uspiju poboljšati stabilnost, povećati kapacitet i prenijeti topološke dizajne s papira na čip, mogli bismo u narednim decenijama vidjeti kako se koncept baterija mijenja jednako duboko kao i sam računar.
