Квантовые батареи могут перезаряжаться мгновенно: но возможны ли они на практике?
Несмотря на то, что квантовые бататери вполне возможно создать на практике, возможно, они не станут такими же популярными, как литий-ионные. На то есть ряд причин.
Нынешняя популярность литий-ионных аккумуляторов, которая принесла ее разработчикам Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино Нобелевскую премию по химии в 2019 году, объясняется ее относительно высокой емкостью и долговечностью. Она также заряжается быстрее других, однако тут не все так просто. Попробуйте зарядить литий-ионный элемент слишком быстро, и ионы лития быстро прилипнут к положительному электроду, со временем делая батарею бесполезной и даже потенциально взрывоопасной. В результате зарядка электромобилей, использующих современные литий-ионные технологии, вероятно, всегда будет занимать значительно больше времени, чем заправка бензинового или дизельного автомобиля.
Практические вопросы, подобные этим, не были главными, когда Роберт Алики из Гданьского университета в Польше и Марк Фаннес из Университета Левена в Бельгии впервые официально предложили концепцию квантовой батареи чуть менее десяти лет назад. Как физиков-теоретиков, их интересовало, может ли базовая концепция такой батареи пролить свет на более важный вопрос, который беспокоит физиков на протяжении нескольких поколений: почему поведение небольшого количества изолированных частиц так отличается от поведения видимых повседневных объектов? По мнению физиков, существует загадочный переход между «квантовым» миром очень маленьких частиц и «классическим» миром достаточно больших тел.
Как работает квантовая батарея?
Квантовый мир трудно поддается пониманию по своей природе. Ненаблюдаемая любым способом – отдельная частица перестает обладать определенными свойствами. Скорее, она находится в суперпозиции, одновременно и здесь, и там, и в различных состояниях. Кроме того, даже разделенные расстоянием, квантовые частицы могут влиять друг на друга — это явление называется квантовым запутыванием.
На первый взгляд, квантовая батарея не сильно отличается от обычной. Она состоит из «материала», который предпочитает существовать в низкоэнергетическом состоянии, но который можно принудительно перевести в высокоэнергетическое состояние — процесс, аналогичный зарядке. В квантовой батарее этот материал состоит из квантовых битов или «кубитов».
Теоретически, не имеет значения, из чего сделаны кубиты, хотя практически должна быть возможность точно ими управлять, чтобы генерировать квантовую запутанность – в данном случае необходимо образование неразрывной связи между по крайней мере двумя кубитами. В 2013 году Алики и Фаннес подсчитали, что по мере того, как все больше и больше кубитов в квантовой батарее запутываются, количество энергии, которое может быть извлечено из нее, приближается к термодинамическому пределу. Другими словами, физики обнаружили, что запутанность делает емкость батареи настолько большой, насколько это возможно в классическом представлении.
Это отсутствие преимуществ перед обычными батареями можно рассматривать как препятствие. Несмотря на кажущуюся нереальной природу квантовой физики, емкость батареи, разработанной на ее принципах, по-прежнему имеет тот же предел, что и у любой другой батареи. Действительно, квантовая физика может не позволить достичь этого термодинамического предела, который Алики и Фаннес считали возможным. Позже в 2013 году Карен Ованнисян из Института фотонных наук в Барселоне, Испания, и другие физики показали, что такое же количество энергии все еще может быть извлечено из квантовой батареи без запутывания, если извлекать энергию через множество попыток.
Работающая квантовая батарея
В январе Джеймс Квач из Университета Аделаиды в Австралии и другие продемонстрировали преимущества квантовой батареи и на практике. Основываясь на схеме, созданной физиками из Итальянского технологического института в Генуе, их упрощенная квантовая батарея состояла из молекул органического красителя. Упрощенной она была потому, что молекулы не были кубитами, так как их нельзя было полностью запутать, однако все они были идентичны и имели низкоэнергетическое и высокоэнергетическое состояние. Экспериментаторы поместили молекулы в полость между двумя маленькими зеркалами и направили на них лазер. Результатом стала скорость поглощения света, — по сути, скорость зарядки батареи, — намного превышающая тот же показатель для суммы отдельных молекул, поглощающих свет независимо друг от друга.
Эффект этого эксперимента на восприятие квантовых батарей зависит от точки зрения. В эксперименте было около 10 миллиардов молекул, — довольно много для квантовой системы, — но он содержал заряд, эквивалентный всего одной миллиардной заряда батареи типа АА. Поскольку преимущество квантовой зарядки зависит от изоляции системы от окружающей среды, теоретики, в том числе Алики и Моди, сомневаются, что эта технология сможет использоваться на практике.