Квантовые батареи — это развивающаяся область исследований в области квантовой физики, целью которой является создание устройств хранения энергии, которые используют квантовые свойства для более эффективного и быстрого хранения энергии, чем классические батареи. Основная задача — сохранение квантовых свойств в течение длительного периода времени, поскольку они легко нарушаются факторами окружающей среды.
За последние 224 года аккумуляторная технология добилась значительных успехов, перейдя от груд металлических дисков и пропитанной рассолом ткани Вольта к компактным устройствам размером не больше крекера, способным работать несколько дней, прежде чем потребуется подзарядка.
«Каковы максимальные возможности современных устройств и как мы можем преодолеть технологические барьеры, препятствующие дальнейшему развитию? Когда мы можем рассчитывать на преодоление этих проблем? Что касается хранения энергии, что нас ждет впереди с точки зрения прогресса и инноваций?»
Ряд исследователей по всему миру занимаются разработкой новой аккумуляторной технологии: технологии, которая для хранения энергии опирается на квантовую механику, а не на традиционную физику. Эта инновация все еще находится в зачаточном состоянии и сталкивается с серьезными проблемами, но история показывает нам, что даже самым сложным структурам и передовым технологиям требуется время, чтобы материализоваться. Рим не стал мировой державой в одночасье, и эта революционная аккумуляторная технология тоже не станет.
Базовый, всеми любимый аккумулятор
Аккумулятор — это технологическое устройство, которое генерирует электрическую энергию посредством химических реакций. В наших домах батареи производят электричество, позволяя электронам течь по цепи. На протяжении всей истории были изобретены различные типы аккумуляторных элементов; Бенджамину Франклину приписывают название «электрическая батарея» в письме 1749 года, завершающем его юмористическим комментарием о чудесах электричества:
Во время наших обедов индейку будут бить электрическим током; Затем его поджарят с помощью электрического разъема и приготовят на огне, зажженном электрифицированной бутылкой. После этого мы поднимем тост за здоровье всех известных электриков из Англии, Франции и Германии электрифицированными кружками под салюты из электрической батареи.
Ознакомьтесь с несколькими типами батарей, многие из которых названы в честь своих изобретателей и используют различные реакции кислотно-металлических соединений. В 1859 году мы открыли свинцово-кислотную батарею, ставшую первой аккумуляторной батареей, перезаряжаемой путем изменения направления тока. К концу прошлого века литий-ионные аккумуляторы приобрели известность и с тех пор в значительной степени остаются предпочтительными благодаря различным сочетаниям лития с другими металлами и фосфатами. Однако на протяжении всей эволюции батарей сохранялась фундаментальная концепция химической реакции, генерирующей электрическую энергию.
Ладно, забудь про батарею. Что, черт возьми, такое «квантовый»?
Как заядлый энтузиаст чудесного мира квантовой физики, позвольте мне в упрощенной форме познакомить вас с его интригующими концепциями. Квантовые частицы ведут себя совершенно иначе, чем наш повседневный опыт: от капель воды, образующих облака над нами, до поддерживающей жизнь крови, текущей в наших венах.
Квантовые системы обладают способностью демонстрировать запутанность — уникальную особенность, при которой две или более квантовых частиц влияют на свойства друг друга. В квантовых вычислениях атомы, расположенные в массиве, служат носителями информации для конкретных вычислительных задач, подобно тому, как это делают классические биты в традиционных компьютерах. Эти атомы, несущие информацию, называются кубитами.
Как квантовый энтузиаст, я бы сказал это так: квантовые операции сложны и хрупки. Как только мы определяем определенное значение в квантовой системе, операция терпит крах. Сложный танец квантовых состояний, таких как атомы, расположенные в массиве, нарушается, и вместо этого мы получаем классическую систему.
Квантовые состояния могут сохраняться в течение длительного времени. Например, недавно физики доказали, что кристаллы времени — предполагаемое состояние материи, первоначально предложенное в 2012 году, — существуют не менее 40 минут — примерно в 10 миллионов раз дольше, чем обычные кристаллы. В отличие от квантовых батарей, эти кристаллы подчеркивают переходный характер многих квантовых систем. Это серьезная проблема, которую необходимо преодолеть, если мы стремимся использовать такие режимы для производства энергии.
Квантовая механика — это раздел физики, который управляет явлениями на мельчайших энергетических уровнях. Рассматривая, как это применимо к батарее, важно помнить, что хотя батареи не являются квантовыми системами в целом, некоторые аспекты могут включать квантовые эффекты.
Квантовые батареи, какими их представляют сейчас
В отличие от традиционных батарей, которые накапливают энергию посредством химических реакций, квантовые батареи теоретически функционируют иначе. Хотя они обладают общей способностью хранить энергию, их источники энергии существенно различаются. Считается, что вместо того, чтобы полагаться на химические реакции для зарядки и разрядки энергии, квантовые батареи питаются квантовыми явлениями, такими как запутывание или поведение, которое создает более прочную связь между батареей и ее источником питания.
«По словам Джу-Ён Гима, квантового исследователя из Сеульского национального университета в Южной Корее, квантовые батареи состоят из множества квантовых ячеек, которые вместе функционируют как одна крупномасштабная квантовая батарея (в электронном письме TopMob). Главное препятствие заключается в сохранении квантовых характеристик в течение длительного времени».
Чтобы квантовые батареи вышли из области исследований и стали практической технологией, ученые сталкиваются со значительным препятствием: сохранением тонких квантовых свойств за пределами строго контролируемых лабораторных сред. Открытие сверхпроводника при комнатной температуре — недостижимая цель, но до сих пор все сообщения о результатах были встречены со скептицизмом и в конечном итоге оказались ложными.
На недавнем коллоквиуме по квантовым батареям на arXiv группа из пяти ученых отметила, что принципы термодинамики в равновесии не устанавливают ограничений на скорость, с которой энергия преобразуется в тепло и работу. Следовательно, исследователям кажется логичным изучить потенциальные термодинамические преимущества квантовых систем, действующих вне равновесия.
Я наткнулся на интригующее открытие в области квантовой физики: исследователи обнаружили, что квантовая запутанность играет роль в определении того, насколько быстро энергия может сохраняться в сложных квантовых системах. Это открытие вызывает значительный ажиотаж и вдохновляет на дальнейшие исследования потенциальных применений квантовых систем в качестве передовых решений для хранения энергии.
Еще в 2018 году я был частью команды, которая теоретически разработала квантовую батарею Дике — новаторскую концепцию полупроводника. Перенесемся в 2022 год: у меня и моей другой команды была возможность экспериментально проверить его фундаментальную структуру в лабораторных условиях. Для этой цели мы использовали мишень, зеркала и лазерный свет.
Недавние эксперименты проясняют проблему
К концу прошлого года группа учёных-квантовщиков выдвинула теорию квантовых батарей, которые можно заряжать в нерегулярной последовательности, под названием «Неопределённый причинно-следственный порядок» (ICO). Согласно их исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, такие батареи могут превзойти возможности традиционных методов зарядки.
Проще говоря, ICO (Интернет-краудфандинговое предложение) позволяет создавать квантовые процессы, которых нет в классической квантовой теории, где должна быть установлена причинно-следственная последовательность. Эта универсальность открывает более широкий спектр квантовых процессов, некоторые из которых обладают полезными и интригующими особенностями.
В тот момент Чен поделился, что мы наблюдали значительные улучшения как в количестве энергии, аккумулируемой в системе, так и в ее тепловой эффективности. Интересно, что мы обнаружили неожиданный результат: менее мощное зарядное устройство давало более высокую энергию с повышенной эффективностью по сравнению с зарядным устройством аналогичной мощности, использующим идентичное оборудование.
Как любопытный геймер, исследующий границы квантовых технологий, я всегда ищу инновационные подходы к разработке футуристических устройств, таких как квантовые батареи. Интересно то, что различные экспериментальные установки, предложенные и реализованные для этих систем, открывают разнообразные возможности для развития.
«По словам Джеймса Куаха, квантового исследователя из Университета Аделаиды в Австралии, который разговаривал с TopMob по электронной почте, квантовые батареи демонстрируют волнообразное поведение, когда их молекулы или атомы движутся синхронно. Напротив, традиционные батареи функционируют за счет отдельных частиц. подобное поведение между их молекулами или атомами. Синхронные действия частиц в квантовых батареях способствуют их замечательной способности быстро заряжаться, даже при большей емкости».
Еще в 2022 году я участвовал в интригующем эксперименте, инициированном командой Кууча. Наша цель: изучить фундаментальную концепцию квантовой батареи. Вот что мы сделали: заполнили небольшую камеру молекулярным красителем под названием Люмоген-Ф оранжевый. Затем мы подали на эту установку импульсный свет. Идея заключалась в том, чтобы наблюдать, как эта система поглощает и сохраняет энергию, переносимую фотонами — частицами, из которых состоит свет.
«В настоящее время для заполнения квантовой батареи, способной хранить примерно один микроджоуль энергии, требуется всего лишь фемто- или пикосекунда. Это может показаться незначительным отрезком времени, но ее способность сохранять заряд сохраняется в миллионы раз дольше». чем продолжительность зарядки. Для сравнения: это похоже на обычную батарею, которая заряжается за несколько минут, но сохраняет заряд в течение сотен лет».
Согласно теории, предложенной некоторыми физиками и упомянутой в журнале «New Scientist», время зарядки квантовой батареи обратно пропорционально количеству кубитов, которые она содержит. Это означает, что более крупная квантовая батарея, имеющая больше кубитов, заряжается быстрее.
Итак… когда я смогу получить квантовую батарею?
В исследовании квантовых батарей наблюдается значительный прогресс, однако важно признать, что мы едва прикасаемся к поверхности потенциала этой технологии. Хотя предлагаемые ими возможности заманчивы, окончательная форма базовой конструкции все еще не определена. Коммерциализация в настоящее время может оказаться далекой мечтой даже для самых предприимчивых физиков.
Основная задача заключается в поддержании квантовых систем в их квантовом состоянии по мере их усложнения. Куах предлагает использовать квантовые батареи в качестве потенциального портативного источника энергии для телефонов и автомобилей. Однако для эффективного функционирования большинству современных квантовых систем требуется чрезвычайно холодная и тихая среда. Важно отметить, что хотя эксперимент Куаха в 2022 году проводился при комнатной температуре, прогресс в интеграции квантовых технологий в повседневные устройства остается ограниченным из-за этого требования. Для сравнения: ядерный синтез, скорее всего, станет реальностью раньше, чем квантовые батареи в наших технологиях.
Как ярый последователь технологических достижений, я не могу не испытывать восторга от перспективы того, что квантовые батареи превзойдут классические устройства с точки зрения скорости зарядки и эффективности. Идея о том, что мы можем интегрировать эти инновации с новыми квантовыми технологиями для моделирования и измерений, действительно воодушевляет. Хотя полнофункциональная квантовая батарея остается нереализованной мечтой, недавние результаты научного собрания позволяют предположить, что эта технология может существенно изменить способы генерации, передачи и управления энергией. Учитывая нашу сильную зависимость от электричества, квантовый скачок в хранении энергии уже давно назрел.
Смотрите также
- Мармелад (2024) Объяснение концовки – Барон свободный человек?
- Хираманди продлили на второй сезон? Вот что мы знаем:
- Apple отмечает «Месяц осознанности» 10 октября с помощью Apple Watch Activity Challenge
- Нет, это не продолжение «Изгоняющего дьявола Папы Римского», это другой фильм об экзорцисте Рассела Кроу
- Продлен ли сериал «Сказки об обручальных кольцах» на второй сезон? Вот что мы знаем:
- «Звёздные войны: Сказания об Империи» — краткий обзор и обзор эпизода 4 «Посвящённый»
- Apple Watch Ultra 3: все, что мы знаем на данный момент
- Великобритания рассматривает возможность принятия USB-C в качестве общего стандарта зарядки
- Функция помощи на дороге iPhone через спутник теперь доступна в Великобритании
- Разработчики теперь обязаны сообщать номер телефона и адрес в App Store ЕС, чтобы соответствовать требованию «Трейдера»
2024-06-17 20:43