النموذج الأولي للبطارية الكمومية يمهد الطريق للشحن شبه الفوري: ScienceAlert

لقد تأخرت عن موعد مهم. بمجرد مغادرتك منزلك، تدرك أن هاتفك فارغ.

تخيل أنك تستطيع شحنه على الفور تقريبًا من خلال استغلال القواعد الغريبة لفيزياء الكم. هذا هو وعد البطاريات الكمومية.

لقد تطورت أنا وزملائي في CSIRO النماذج الأولية للبطاريات الكمومية في العالم – والاتجاه الذي اتخذته التكنولوجيا مثير للدهشة.

التأثيرات الكمية الجماعية

ربما سمعت عن الغريب التأثيرات الكمومية من التراكب و تشابك، والتي تسمح في الغالب للأشياء الصغيرة جدًا بالتصرف بشكل غريب جدًا. يمكنهم أيضًا السماح بذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية لحل المشكلات التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية حلها.

إحدى السمات الغريبة للعالم الكمي هي ما يسمى “التأثيرات الجماعية”. وهي التي تمنح البطاريات الكمومية خصائصها الفريدة.

في ظل الظروف المناسبة، لا تعمل وحدات تخزين البطاريات الكمومية بشكل فردي، بل تتصرف بشكل جماعي. وفي تطور غير بديهي، يعني هذا أن الوحدات يتم شحنها معًا بشكل أسرع مما لو تم شحنها بمفردها.

لنفترض أن بطاريتك الكمومية تحتوي على عدد N من وحدات التخزين، ويستغرق شحن كل وحدة ثانية واحدة. تعني التأثيرات الجماعية أنه إذا تم شحن جميع الوحدات مرة واحدة، فسوف يستغرق شحن كل وحدة 1∕√N ثانية فقط.

وهذا يعني أنه كلما كانت بطاريتك الكمية أكبر، قل الوقت الذي يستغرقه شحنها. إذا تضاعف حجمه، فسيستغرق الشحن ما يزيد قليلاً عن النصف.

يبدو الأمر كما لو أن كل وحدة تعرف بطريقة ما أن هناك وحدات أخرى حولها، ووجودها يجعل الوحدة تشحن بشكل أسرع. غريب، أليس كذلك؟

ويختلف هذا جذريًا عن كيفية عمل البطاريات التقليدية، حيث تستغرق البطاريات الأكبر حجمًا وقتًا أطول للشحن. ولهذا السبب قد يستغرق شحن هاتفك المحمول ساعة، لكن سيارتك الكهربائية تحتاج طوال الليل.

بناء بطارية الكم

كانت فكرة البطارية الكمومية مجرد فضول نظري لفترة طويلة. ولكن في عام 2018، شرعت في إثبات إمكانية بنائها بالفعل.

في عام 2022، ومن خلال العمل مع زملائنا في المملكة المتحدة وإيطاليا، قمنا ببناء النموذج الأولي للبطارية الكمومية باستخدام تجويف صغير عضوي، وهو عبارة عن شطيرة صغيرة ومعقدة ومتعددة الطبقات مكونة من عدة مواد مختلفة تحبس الضوء بطريقة معينة.

وكنا قادرين على إظهار السلوك الغريب لأول مرة، حيث تستغرق البطاريات الكمومية الأكبر وقتًا أقل في الشحن.

في الواقع، تمكنا من إثبات أن وقت الشحن يتناقص بمقدار 1∕√N، حيث N هو عدد الجزيئات في البطارية. كلما زاد عدد الجزيئات التي أدرجناها، زادت سرعة شحن البطارية، تمامًا كما تنبأت النظرية.

الشيء الوحيد الذي لم يكن لدى هذا النموذج الأولي هو طريقة استخلاص الطاقة منه. للقيام بذلك، في أحدث دراسة لدينا، نشرت في المجلة الضوء: العلوم والتطبيقات، أضفنا طبقات إضافية إلى أجهزتنا والتي حولت الطاقة إلى تيار كهربائي. يمثل هذا خطوة كبيرة نحو بطارية كمية عملية.

ولا يزال يتعين تحقيق التقدم

فلماذا لا نرى البطاريات الكمومية في المتاجر؟

حسنًا، لا تزال سعة البطاريات الكمومية صغيرة (بضعة مليارات من الإلكترون فولت)، والوقت الذي تحتفظ فيه بشحنتها قصير جدًا (بضعة نانو ثانية). وهذا يعني أن البطاريات الكمومية صغيرة جدًا بحيث لا يمكنها تشغيل الأجهزة التقليدية مثل هاتفك المحمول، على الأقل في الوقت الحالي.

لكن البطاريات الكمومية قد تكون مثالية لتشغيل الأجهزة الكمومية مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية. في الواقع، يمكن أن تكون البطاريات الكمومية هي الحل الحل الدقيق تحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى العمل على نطاقات أكبر وأن تصبح عملية.

على الرغم من أننا لا نملك بطاريات كمومية عملية بعد، إلا أننا نعمل حاليًا على إيجاد طرق لزيادة حجم نموذجنا الأولي وتمديد المدة التي يمكنه خلالها الاحتفاظ بشحنته. نأمل في إنشاء تصميم هجين يجمع بين سرعة الشحن الاستثنائية للبطارية الكمومية ووقت التخزين الطويل للبطارية الكلاسيكية.

إن التقدم الذي أحرزناه هو شهادة على قرن من العمل النظري الذي قام به علماء الكم قبلنا.

متعلق ب: اختراق كمي جذري قد يشحن البطاريات في لمح البصر

استغرق شحن بطارية نموذجنا الأولي نانو ثانية. استمرت الرحلة الجوية الأولى للأخوين رايت لفترة أطول قليلاً. يستغرق التقدم بعض الوقت، لكن البطاريات الكمومية تلوح في أفقنا بالتأكيد.

جيمس كواتش، قائد العلوم، فريق البطاريات الكمومية، CSIRO

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.