Что такое квантовая батарея? И когда он будет работать на моем ноутбуке?

Квантовые батареи — это многообещающая новая технология, которая может обеспечить более быстрое и эффективное хранение энергии по сравнению с классическими батареями. Однако они все еще находятся на ранних стадиях исследований и разработок, и основная проблема заключается в том, как сохранить тонкие квантовые свойства в более крупных масштабах. Квантовые батареи работают, используя принципы квантовой механики, в частности, квантовую запутанность, которая позволяет быстрее накапливать энергию в квантовых системах многих тел.

За последние 224 года батареи претерпели значительные изменения: от сложенных металлических дисков Вольты и ткани, пропитанной рассолом, до компактных альтернатив, некоторые из которых размером с крекер, способных работать несколько дней, прежде чем потребуется подзарядка.

Меня заинтриговали ограничения сегодняшних технологий. В частности, мне интересно, каковы максимальные возможности устройств, доступных сейчас на рынке. Какие технические препятствия необходимо преодолеть, чтобы преодолеть этот рубеж? И когда мы можем ожидать устранения этих препятствий? Кроме того, я с нетерпением жду возможности изучить будущие разработки в области хранения энергии. Какие достижения нас ждут впереди и как они изменят способ питания наших устройств?

Ряд исследователей по всему миру занимаются разработкой новой технологии аккумуляторов: технологии, которая для хранения энергии опирается на квантовую механику, а не на традиционную физику. Хотя эта работа все еще находится в стадии разработки и далека от реализации, помните, что Рим не был построен и электрифицирован в одночасье.

Базовый, всеми любимый аккумулятор

Я увлечен увлекательным миром хранения энергии! С моей точки зрения, батарея — это умная технология, использующая химические реакции для выработки электроэнергии. В повседневной жизни батареи преобразуют электрическую энергию в пригодную для использования форму, позволяя электронам течь по цепи. На протяжении всей истории изобретались и совершенствовались различные типы аккумуляторных элементов. Я всегда поражаюсь, когда думаю о Бенджамине Франклине – человеке, которому приписывают введение термина «электрическая батарея» в письме, которое он написал еще в 1749 году! В истинном духе Бена Франклина он завершил свое послание забавным намеком на необычайную силу электричества.

Индюшка будет в шоке от наших ужинов; затем поджарили с помощью электрического разъема возле огня, зажженного электрифицированной бутылкой. Пока мы пьём за здоровье известных электриков из Англии, Франции и Германии, пушки от электрической батареи разряжаются.

Пропустите несколько типов батарей, многие из которых названы в честь своих изобретателей и основаны на различных реакциях кислот с металлами. В 1859 году мы представили свинцово-кислотную батарею, став первой аккумуляторной батареей с такой способностью за счет изменения направления тока. К концу 20 века литий-ионные батареи приобрели популярность, в них использовались различные комбинации лития и других металлов/фосфатов. Однако фундаментальный принцип химической реакции, производящей электрическую энергию, остается неизменным на протяжении всего развития современных батарей.

Ладно, забудь про батарею. Что, черт возьми, такое «квантовый»?

Квантовая физика, по сути, описывает уникальное поведение частиц в экстремальных условиях, таких как температуры, близкие к абсолютному нулю, и в вакууме. Эти обстоятельства позволяют частицам проявлять свойства, отличные от всего, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни, включая способность существовать в нескольких состояниях одновременно. Это явление имеет решающее значение для передовых приложений, таких как квантовые вычисления, которые могут выполнять сложные математические вычисления, и исследования возможностей путешествий во времени, а также других научных исследований.

Как зачарованный наблюдатель квантовых явлений, я бы описал это так: квантовые системы, как и мы, могут образовывать глубокие связи друг с другом. Эта интригующая связь известна как запутанность. Когда две или более квантовые частицы запутываются, их свойства неразрывно связаны. В сфере квантовых вычислений атомы внутри массива служат квантовыми битами или кубитами, содержащими важные данные, необходимые для конкретной задачи.

Квантовые операции чувствительны и хрупки. Как только определенное значение свойства квантовой системы определено, операция прекращается, в результате чего система, например массив атомов, возвращается в классическое состояние.

Квантовые состояния могут существовать в течение длительных периодов времени. Например, недавно физики продемонстрировали, что кристаллы времени — предполагаемое состояние материи, впервые предложенное в 2012 году, — существуют минимум 40 минут — примерно в 10 миллионов раз дольше, чем обычные кристаллы. Несмотря на свое сходство с квантовыми батареями, кристаллы времени подчеркивают зачастую преходящую природу квантовых систем, что является важной проблемой, которую необходимо решить, если мы стремимся использовать эти режимы для источников энергии в будущем.

Как любопытный геймер, погружающийся в увлекательный мир физики, позвольте мне объяснить, как загадочные правила квантовой механики влияют на внутреннюю работу скромной батарейки.

Квантовые батареи, какими их представляют сейчас

Как геймер, я могу описать квантовые батареи так: классические батареи сохраняют энергию так, как мы привыкли, но квантовые батареи работают по-другому. Вместо того, чтобы полагаться на химические реакции для зарядки и отвода энергии, эти футуристические источники энергии используют загадочное явление квантовой запутанности или более тесных связей между батареей и ее источником.

Как страстный геймер и квантовый энтузиаст, я бы сказал это так: «По моему опыту квантового исследователя в Сеульском национальном университете в Южной Корее, я могу сказать вам, что квантовые батареи состоят из множества квантовых ячеек. Эти ячейки работают вместе. создать одну мощную квантовую батарею. Однако настоящее испытание заключается в сохранении этих квантовых свойств в течение длительного периода времени».

Как заядлый последователь квантовых технологий, я не могу не волноваться по поводу потенциальных применений квантовых батарей. Однако как ученый я понимаю, с какими серьезными трудностями мы сталкиваемся при переводе этих исследований из лабораторных условий в практическое использование. Поскольку квантовые системы обладают такой же сложностью, что и квантовые компьютеры, поддержание их хрупких состояний вне тщательно контролируемых исследовательских сред — непростая задача.

В своем недавнем коллоквиуме по квантовым батареям, который доступен на сервере препринтов arXiv, группа из пяти ученых утверждала, что принципы термодинамики в состоянии равновесия не устанавливают ограничений на скорость, с которой энергия переходит в тепло и работу. Следовательно, логично исследовать потенциальные термодинамические преимущества в квантовых системах, выведенных из равновесия.

Команда заметила, что скорость, с которой энергия может храниться в сложных квантовых системах, связана с квантовой запутанностью. Это интригующее открытие, которое послужило стимулом для продолжающихся исследований по использованию квантовых систем для технологий хранения энергии.

Еще в 2018 году я был частью новаторской команды, которая теоретически разработала квантовую батарею Дике, что стало первым твердотельным предложением для этой интригующей концепции. Перенесемся в 2022 год: моя роль расширилась по мере того, как мы воплощали наши идеи в экспериментальной практике. Мы построили в лаборатории фундаментальную установку, укомплектованную мишенью, зеркалами и лазерным лучом, чтобы протестировать первоначальную структуру этой квантовой батареи.

Недавние эксперименты проясняют проблему

Примерно в конце прошлого года группа квантовых исследователей представила интригующую концепцию: зарядку квантовых батарей в неопределенном причинно-следственном порядке (ICO). В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они предположили, что такая система зарядки может превзойти традиционные методы благодаря своей уникальной способности заряжаться беспорядочным, непоследовательным образом. Как поклонник передовых квантовых исследований, я нахожу эту концепцию абсолютно захватывающей!

Проще говоря, ICO (Интернет квантовых вещей) позволяет создавать квантовые процессы, выходящие за рамки ограничений классической квантовой теории. В стандартной квантовой теории причинный порядок установлен и неизменен. Однако с ICO эта жесткость ослабляется, открывая возможности для более широкого спектра квантовых процессов. Некоторые из этих новых процессов могут обладать желательными и интригующими характеристиками.

В тот момент Чен поделился, что мы наблюдали существенное увеличение энергии, накопленной внутри системы, а также ее тепловой эффективности. Интересно, что мы обнаружили неожиданную обратную зависимость: менее мощное зарядное устройство может обеспечивать более высокую энергию с более высокой эффективностью по сравнению с аналогичным мощным зарядным устройством, используя ту же установку.

Будучи заядлым последователем инноваций в области квантовых технологий, я в восторге от различных экспериментальных установок для систем квантовых батарей и потенциальных путей развития этой футуристической технологии. В прошлом месяце команда из Гданьского университета и Университета Калгари предложила интригующее решение, которое оптимизирует накопление энергии и минимизирует потери энергии во время зарядки. В их конструкции квантовая батарея и ее зарядное устройство подключены к одному и тому же резервуару, что создает интерференционную картину, повышающую эффективность передачи энергии между ними. Команда ожидает, что этот новый метод зарядки потенциально может в четыре раза увеличить количество энергии, хранимой в батарее, по сравнению с традиционными методами.

Будучи геймером, погруженным в мир передовых технологий, я наткнулся на захватывающее открытие Джеймса Куача, квантового исследователя из Университета Аделаиды в Австралии. Он объяснил, что квантовые батареи работают иначе, чем обычные. Вместо того, чтобы функционировать как совокупность отдельных частиц, квантовые батареи демонстрируют волнообразное поведение, при котором молекулы или атомы движутся в гармонии. Именно такое синхронное поведение позволяет квантовым батареям заряжаться быстро и эффективно, даже при большей емкости.

В 2022 году исследовательская группа под руководством Куаха провела эксперимент по созданию элементарной квантовой батареи. Они поместили молекулярный краситель под названием Lumogen-F (оранжевый) в небольшой отсек и периодически освещали его светом, чтобы оценить его способность хранить энергию, переносимую фотонами. Результаты показали впечатляющую скорость зарядки, при этом более крупные системы, по прогнозам, будут заряжаться еще быстрее.

«Квач упомянул, что зарядка квантовой батареи занимает от фемто до пикосекунд, сохраняя около микроджоуля энергии. Это может показаться не впечатляющим, но ее способность удерживать заряд длится в миллион раз дольше, чем время зарядки. В перспективе представьте, что обычная батарея заряжается всего за несколько минут, но сохраняет этот заряд в течение сотен лет».

Согласно теории, предложенной некоторыми физиками, упомянутой в журнале «New Scientist», время зарядки квантовой батареи обратно пропорционально общему количеству кубитов в системе. Проще говоря, это означает, что чем больше квантовая батарея и больше кубитов, тем быстрее ее можно зарядить.

Итак… когда я смогу получить квантовую батарею?

Как заядлый последователь квантовой физики, я очень рад видеть, что исследования квантовых батарей начинают набирать обороты. Потенциальные применения этой технологии поистине революционны. Однако важно помнить, что мы все еще находимся на ранних стадиях разработки. Окончательный дизайн функциональной квантовой батареи еще не определен.

Одним из потенциальных решений основной проблемы является поиск методов поддержания квантовых систем в их предполагаемом состоянии по мере их усложнения. Куах предлагает использовать квантовые батареи в качестве портативного источника питания для электронных устройств, таких как телефоны и транспортные средства, но большинство современных квантовых систем требуют чрезвычайно низких температур и минимальных возмущений для поддержания своего квантового состояния (стоит отметить, что экспериментальная установка Куаха 2022 года работала при комнатной температуре). ). К сожалению, практическое внедрение квантовых батарей в устройства остается отдаленной перспективой по сравнению с прогрессом, достигнутым в области ядерного синтеза.

Несмотря на колебания некоторых сомневающихся журналистов, я был бы рад отказаться от своих предыдущих сомнений. Нет ничего более приятного, чем быть правым, но открытие лучшего мира, даже если он ошибается в отношении квантовых батарей, является захватывающей перспективой. Эти инновационные устройства могут заряжаться быстрее и эффективнее, чем традиционные аналоги, что делает их идеальным дополнением к новым квантовым технологиям. Хотя работающая квантовая батарея остается неуловимой, недавние исследования показывают, что она может фундаментально изменить то, как мы генерируем, передаем и управляем энергией. Учитывая сильную зависимость человечества от электричества, прогресс в хранении энергии уже давно назрел.

Смотрите также

2024-06-15 15:15