Первый работающий квантовый аккумулятор доказывает, что больше действительно означает быстрее

Вкратце

• Австралийские ученые создали первый рабочий прототип квантовой батареи.
• Квантовые батареи заряжаются быстрее по мере увеличения масштаба, опровергая классические ограничения.
• Этот прорыв может обеспечить питание будущих квантовых компьютеров, но пока не для потребительских устройств.

Ваш телефон заряжается час. Ваш электромобиль — всю ночь. Этот компромисс — больше емкость означает больше ожидания — настолько укоренился в работе батарей, что никто уже особо не задумывается. Но команда австралийских ученых создала нечто, полностью нарушающее это правило. Исследователи из CSIRO, национального научного агентства Австралии, вместе с командами из RMIT University и Университета Мельбурна представили первый в мире рабочий прототип квантовой батареи. Это реальное физическое устройство, которое заряжается, хранит энергию и разряжается — используя законы квантовой физики, а не химию. Их результаты были опубликованы в среду в журнале Nature Light: Science & Applications. Прототип — это крошечная слоистая пластина из органических материалов, похожая на нанометровый сэндвич, который заряжается беспроводным лазерным импульсом. Этот импульс длится фемтосекунды. Одна фемтосекунда — квадриллионная часть секунды. В этот момент устройство заряжается, а затем удерживает энергию в течение наносекунд — примерно в шесть порядков больше времени, чем потребовалось для зарядки.

Эта разница кажется незначительной, пока не начнешь масштабировать. «Если мы можем зарядить батарею за одну минуту, она будет оставаться заряженной в течение нескольких лет», — объяснил ведущий исследователь Джеймс Куач. Физика уже работает. Сейчас задача — увеличить время хранения энергии в реальном устройстве. Настоящая странность заключается не в скорости, а в масштабируемости. Обычные батареи становятся медленнее при увеличении размера. Больше емкость — больше времени на зарядку, но квантовые батареи делают наоборот. Чем больше молекул в устройстве, тем быстрее каждая из них заряжается — потому что на квантовом уровне они не действуют независимо. Они ведут себя коллективно, делясь входящей энергией в едином скоординированном импульсе, который исследователи называют «суперабсорбцией».

Технически исследователи утверждают, что время зарядки уменьшается как 1/√N, где N — число молекул. Удвоение батареи сокращает время зарядки почти вдвое, и так далее. «Наши результаты подтверждают фундаментальный квантовый эффект, который полностью противоречит интуиции: квантовые батареи заряжаются быстрее по мере увеличения размера», — рассказал Куач в Мельбурнском университете. «Современные батареи так не работают». < span data-mce-type=“bookmark” style=“display:inline-block;width:0px;overflow:hidden;line-height:0” class=“mce_SELRES_start”> Этот эффект был предсказан математически еще в 2013 году, а частичная версия была продемонстрирована в 2022. Новое здесь — полный цикл: команда научилась извлекать сохраненную энергию в виде электрического тока, чего не удавалось сделать в предыдущих экспериментах с квантовыми батареями. Устройство также работает при комнатной температуре — практическое преимущество по сравнению с конкурирующими сверхпроводящими технологиями из Китая и Испании, требующими криогенного охлаждения. Мгновенное применение — это не ваш электромобиль или что-то подобное. Общая емкость прототипа измеряется в миллиардных долях электрон-вольта — этого пока недостаточно для питания чего-либо в реальном мире. Но квантовые компьютеры — совсем другое дело. Эти системы уже развиваются быстрее, чем ожидали, и у них есть особая проблема с энергией: их деликатные квантовые состояния требуют подачи энергии когерентно, без шума, который создают обычные электроники. Квантовая батарея заряжается и разряжается, используя тот же квантовый язык, на котором говорят эти процессоры. «Квантовые батареи могут обеспечивать энергию когерентно, с минимальными затратами энергии для квантовых компьютеров», — заявил профессор Эндрю Уайт, руководитель лаборатории квантовых технологий в Университете Квинсленда, который не участвовал в исследовании, — The News Digital. CSIRO уже ищет партнеров для развития, включая производителей электромобилей и инвесторов в глубокие технологии, чтобы продвинуть исследования вперед. Теория имела десятилетний запас по сравнению с аппаратным обеспечением. Теперь аппаратное обеспечение догнало теорию.