Το μεγαλύτερο τεχνολογικό όνειρο για τα τηλέφωνά μας είναι ίσως το να φορτίζει μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Φανταστείτε να ξυπνάτε το πρωί και το κινητό σας να έχει κλείσει από μπαταρία, γιατί ξεχάσατε να το βάλετε για φόρτιση. Δε θα ήταν ωραίο να φορτίζουμε σχεδόν ακαριαία οποιαδήποτε συσκευή; Για να γίνει αυτό όμως, θα πρέπει να εκμεταλλευτούμε τους κανόνες της κβαντικής φυσικής, για να δημιουργήσουμε μια κβαντική μπαταρία.
Επιστήμονες από το CSIRO, ανέπτυξαν τα πρώτα πρωτότυπα κβαντικών μπαταριών στον κόσμο και όλα δείχνουν πρόκειται για ένα τεράστιο τεχνολογικό και επιστημονικό επίτευγμα.
Έχουμε δει σε προηγούμενα άρθρα τα εντυπωσιακά και ιδιόμορφα κβαντικά φαινόμενα της υπέρθεσης και διεμπλοκής, που επιτρέπουν σε πολύ μικρά αντικείμενα να συμπεριφέρονται πολύ παράξενα. Αυτά τα φαινόμενα θα μπορούσαν να λύσουν τα προβλήματα που έχουν οι παραδοσιακοί υπολογιστές, με την έλευση των κβαντικών υπολογιστών.
Ένα από τα παράξενα χαρακτηριστικά του κβαντικού κόσμου, είναι αυτό που ονομάζουμε «συλλογικά φαινόμενα». Πρόκειται για τα φαινόμενα αυτά που δίνουν στις κβαντικές μπαταρίες τις απίστευτες δυνατότητές τους.
Όταν υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες, οι μονάδες αποθήκευσης των κβαντικών μπαταριών φαίνεται πως συμπεριφέρονται συλλογικά και όχι μεμονωμένα. Σε μια αντιφατική εκδοχή, αυτό σημαίνει ότι οι μονάδες φορτίζουν πιο γρήγορα μαζί από ό,τι αν φορτίζονταν μόνες τους.
Έστω μια μπαταρία με Ν μονάδες αποθήκευσης και κάθε μονάδα χρειάζεται ένα δευτερόλεπτο για να φορτίσει. Τα συλλογικά φαινόμενα σημαίνουν πως όλες οι μονάδες θα φορτιστούν ταυτόχρονα και κάθε μονάδα θα χρειαστεί μόνο 1∕√N δευτερόλεπτα για να φορτίσει.
Πρακτικά αυτό σημαίνει πως όσο μεγαλύτερη η κβαντική μπαταρία, τόσο λιγότερος ο χρόνος που χρειάζεται για να φορτιστεί. Έτσι, αν διπλασιάσουμε το μέγεθός της κβαντικής μπαταρίας, η φόρτιση θα διαρκέσει λίγο πάνω από το μισό χρόνο.
Το εντυπωσιακό είναι πως κάθε μονάδα φαίνεται να γνωρίζει με κάποιο τρόπο, πως υπάρχουν άλλες μονάδες γύρω της και η παρουσία τους τις κάνει να φορτίζουν πιο γρήγορα! Αυτό από μόνο του είναι τρελό!
Πρόκειται για έναν τρόπο λειτουργίας ριζικά διαφορετικό από αυτόν των παραδοσιακών μπαταριών, όπου όσο μεγαλύτερη είναι η μπαταρία, τόσο περισσότερο χρόνο χρειάζεται η φόρτιση. Για αυτό, το κινητό μας φορτίζει σε μια ώρα και το αυτοκίνητο θέλει ένα 8ωρο για πλήρη φόρτιση.
Πως κατασκευάζεται μια κβαντική μπαταρία;
Η ιδέα μιας κβαντικής μπαταρίας ήταν για πολύ καιρό μια θεωρητική ιδέα. Όμως, το 2018 είχαμε τις πρώτες ενδείξεις πως μπορεί να κατασκευαστεί. Το 2022 επιστήμονες από Ηνωμένο Βασίλειο και Ιταλία, κατάφεραν να κατασκευάσουν ένα πρωτότυπο κβαντικής μπαταρίας, με χρήση μιας οργανικής μικροκοιλότητας, δηλαδή ένα είδος πολυστρωματικού σώματος, από διάφορα υλικά, που παγιδεύουν το φως με συγκεκριμένο τρόπο.
Τώρα, κατάφεραν να δείξουν για πρώτη φορά την περίεργη συμπεριφορά των κβαντικών μπαταριών και την ταχύτητα φόρτισής τους, που είναι δραματικά λιγότερος από τις συμβατικές μπαταρίες. Αυτό όμως που έχει μεγάλη σημασία είναι πως κατάφεραν να υπολογιστούν ακριβώς τον χρόνο φόρτισης που μειώνεται κατά 1∕√N, όπου N ήταν ο αριθμός των μορίων στην μπαταρία. Μάλιστα, με αυτό τον τρόπο έδειξαν πως όσο περισσότερα μόρια συμπεριλάβανε, τόσο πιο γρήγορα φορτιζόταν η μπαταρία, κάτι που μέχρι τώρα ήταν μόνο θεωρητικό.
[Αποκλειστικό] Μάθαμε πότε έρχονται τα Galaxy A37 και A57 μαζί με τις τιμές τους
Σε αντίθεση όμως με το πρώτο πρωτότυπο του 2022, τώρα η ομάδα βρήκε και έναν τρόπο εξαγωγής της ενέργειας από την μπαταρία. Για να το πετύχει αυτό, έπρεπε να προσθέσουν επιπλέον στρώματα στη συσκευή, που επιτρέπουν την μετατροπή της ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό είναι ένα τεράστιο βήμα προς την δημιουργία μιας πρακτικής κβαντικής μπαταρίας! Η διαδικασία περιγράφεται στην μελέτη της ομάδας που δημοσιεύθηκε στο Light: Science & Applications.
Υπάρχουν πολλά που πρέπει να γίνουν
Μέχρι να φτάσουμε στο σημείο να έχουμε λειτουργικές μπαταρίες, υπάρχουν πολλά που πρέπει να γίνουν. Οι υπάρχουσες κβαντικές μπαταρίες έχουν μικροσκοπική χωρητικότητα, που φτάνει μόνο μερικά δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, ενώ ο χρόνος που διατηρούν το φορτίο είναι τρομερά σύντομος, μόνο μερικά νανοδευτερόλεπτα. Αυτό σημαίνει πως δε είναι αρκετά ισχυρές για να τροφοδοτήσουν οποιαδήποτε συμβατική συσκευή.
Αλλά οι κβαντικές μπαταρίες μπορεί να είναι ιδανικές για την τροφοδοσία κβαντικών συσκευών όπως οι κβαντικοί υπολογιστές. Στην πραγματικότητα, οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν να είναι η ακριβής λύση που χρειάζονται οι κβαντικοί υπολογιστές για να λειτουργούν σε μεγαλύτερες κλίμακες και να γίνουν πρακτικοί.
Για αυτό οι επιστήμονες εργάζονται πάνω σε τρόπους για να αυξήσουν το μέγεθος του πρωτότυπου και να παρατείνουν τον χρόνο που μπορεί να διατηρηθεί η φόρτισή μιας τέτοιας μπαταρίας, ώστε να γίνουν πιο πρακτικές. Παράλληλα, θέλουν να δημιουργήσουν και ένα υβριδικό μοντέλο, που θα συνδυάζει την απίστευτη ταχύτητα φόρτισης των κβαντικών μπαταριών, με τον μεγάλο χρόνο αποθήκευσης ενέργειας, μιας κλασσικής μπαταρίας.
Το ότι κατάφεραν να δημιουργήσουν μια κβαντική μπαταρία και να βρουν τόπο να εξάγουν την ενέργειά της, είναι το πρώτο μεγάλο βήμα για την μπαταρία του μέλλοντος, ενώ την ίδια στιγμή, αποδεικνύει το θεωρητικό έργο που έχει γίνει εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, από τους κβαντικούς φυσικούς.
Θα χρειαστεί χρόνο για να δημιουργηθεί η πρώτη λειτουργική κβαντική μπαταρία, ικανή να τροφοδοτήσει τις κλασσικές συσκευές μας, όμως όλα δείχνουν πως οι κβαντικές μπαταρίες είναι το μέλλον, που έρχεται.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Light: Science & Applications.
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
