Группа учёных из Великобритании, Италии и Австралии создали прототип принципиально нового элемента питания, который назвали квантовой батареей. Заряжается квантовая батарея от направленного на неё лазерного луча и чем больше она содержит ячеек - накопителей энергии, тем быстрее происходит этот процесс. Принцип работы батареи построен на квантовой механике, а точнее на квантовой запутанности, при которой две одинаковые частицы взаимосвязаны настолько, что изменение одной сразу же приводит к изменению другой. Новым батарейкам уже придумали примененние.
Очень кстати была бы возможность мгновенной зарядки смартфона или ноутбука, на котором я сейчас пишу эту статью и который вот-вот разрядится. Теоретически, такая возможность существует благодаря странным законам квантовой физики.
Именно такими законами воспользовались учёные под руководством доктора Джеймса Куача из CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation — австралийское государственное объединение научных и прикладных исследований). Им удалось разработать первые в мире прототипы квантовых батарей.
Принцип быстрой, почти мгновенной зарядки этих батареек построен на коллективных квантовых эффектах.
Коллективные квантовые эффекты простым языком.
Те, кто интересуется квантовой физикой, наверное знакомы с такими понятиями, как суперпозиция и квантовая запутанность. Суперпозиция объекта (частицы) - это состояние, когда она принимает несколько значений одновременно. Определить какое именно значение примает объект можно только в момент измерения. Яркий пример: кот Шрёдингера. Кот, помещённый в закрытую коробку, для нас может находиться в двух состояниях: быть живым или мёртвым. Узнать его состояние мы можем только заглянув в коробку. До этого события, то есть до момента измерения, кот для нас и жив, и мёртв одновременно - находится в двух состояниях.
Теперь поговорим о квантовой запутанности.
Квантовая запутанность - это такая взаимосвязь двух объектов (частиц), при которой изменение одного объекта немедленно приводит к такому же изменению другого. Весь фокус в том, что здесь неважно на каком расстоянии друг от друга находятся эти объекты. Они будут меняться одновременно, если изменится один из них.
Так почему же запутанность? Откуда такое название?
На самом деле - очень просто. Представьте себе две квантовые частицы, между которыми существует та самая взаимосвязь и обе эти частицы находятся в суперпозиции. То есть они находиться во множестве состояний одновременно до момента их измерения. Или, простым языком, они находятся в запутанном состоянии и изменение одной из них сразу же повлияет на изменение другой: если мы узнаем состояние одной частицы, то сразу же узнаём состояние (значение) другой.
А теперь представим, что у нас есть много таких квантовых частиц, находящихся в суперпозиции. Так мы получим целую квантовую систему, где каждая частица влияет на каждую. Кстати, такие системы используются в квантовых компьютерах.
Принцип накопителей квантовой батареи.
Накопители квантовой батареи - её ячейки - накапливают энергию, то есть заряжаются, по принципу квантовой запутанности.
Простыми словами, они заряжаются не по отдельности, а коллективно. А раз так, то чем их больше, тем быстрее зарядится батарейка. Изменение одной ячейки будет также изменять другую. А если мы будем заряжать сразу все ячейки, то они будут заряжаться сами по отдельности и ещё заставлять заряжаться другие.
Как это ни парадоксально, но ячейки батарейки заряжаются быстрее вместе, чем если бы они заряжались поодиночке.
Допустим, наша квантовая батарейка имеет N ячеек, где N - это натуральное число, больше 1. Пусть каждая ячейка заряжается ровно 1 минуту, тогда все вместе, согласно принципу квантовой запутанности, они зарядятся ровно за 1/√N минуты.
Так и получается, что чем больше квантовая батарейка, чем она больше содержит накопителей энергии, тем меньше времени требуется для её полной зарядки.
Это кардинально отличается от работы обычных литиевых батарей, которые наоборот, чем больше, тем заряжаются дольше. Именно поэтому процесс зарядки смартфона с его батареей повышенной ёмкости может занять час, а электромобиль с огромным аккумулятором, подключённый к городской зарядной станции, вообще несколько часов.
"Квантовый сэндвич".
Идея создания квантовой батареи зародилась довольно давно, но к реальному её созданию удалось приблизится лишь в 2018 году, а воплотить её в реальность, то есть создать прототип, лишь в 2022 году. Над созданием этого прототипа трудился целый международный коллектив учёных из Австралии, Великобритании и Италии.
Решить задачу помогло создание настоящего многослойного "сэндвича" из набора различных материалов, обладающего уникальными свойствами при воздействии на него светом.
Сначала была создана ячейка, которая на несколько наносекунд смогла удерживать в себе энергию. Ячейка заряжалась от направленного на неё лазерного луча.
Созданный многослойный "сэндвич", особым образом улавливающий свет и удерживающий его энергию, представлял собой крошечную органическую микрополость. И чем больше учёные объединяли таких микрополостей в единую систему, тем быстрее она заряжалась, фактически, подтверждая принцип квантовой запутанности.
Несколько наносекунд - это очень короткий временной интервал. Но добившись даже такого короткого времени заряда, следующим шагом стал процесс преобразования накопленной энергии в электрический ток.
Для этого учёные добавили к "квантовому сандвичу" дополнительные слои, преобразующие энергию в электрический ток. Так был создан первый прототип квантовой батареи. Заряд батареи первого прототипа длился наносекунды.
Для тех, кто любит технические характеристики.
Когда же на прилавках магазинов появятся смартфоны с такими квантовыми батарейками?
Ответ: не так скоро, как хотелось бы.
Ёмкость созданного первого прототипа квантовой батареи ничтожно мала - несколько миллиардов электронвольт.
Но важнее время хранения заряда. Как было отмечено выше - несколько наносекунд.
То есть: созданная квантовая батарейка слишком мала, чтобы к ней подключить смартфон или хотя бы фонарик.
Для чего же тогда можно использовать прототип?
Ответ прост. Квантовую батарейку очень удобно и нужно использовать для питания квантовых устройств, например, квантового компьютера (подробный разбор).
Сейчас для работы квантовых компьютеров требуются огромные, энергозатратные системы охлаждения и сложное внешнее оборудование. Чем больше кубитов добавляют в такой компьютер, тем больше тепла он выделяет. У Росатома получилось создать квантовый компьютер с 50 кубитами, у Google, если верить их отчётам, число кубитов составляет 250. По всей видимости, у разработчиков просто закончилось рабочее пространство и исчерпались возможности охлаждения.
Совсем недавно разработчики квантовых батарей теоретически смогли обосновать, что интеграция крошечных квантовых батарей непосредственно в систему квантового компьютера может вчетверо увеличить его ёмкость по кубитам.
Благодаря рециркуляции внутренней энергии вместо зависимости от электросети, встроенные батареи могут значительно сократить потребление электроэнергии и стать компактным решением энергетических потребностей квантовых технологий.
Если простым языком, то квантовый компьютер в лице квантовой батарейки получил бы свой топливный бак, который заряжается во время работы компьютера.
В отличие от литий-ионных батарей, квантовая батарея не использует химические реакции. Она подзаряжаться под воздействием света. Попав внутрь компьютера, эти батареи, постоянно потребляя энергию от внутренних компонентов машины, создали бы замкнутый контур. Они соединились бы с процессором компьютера посредством квантовой запутанности и таким образом образовалась бы единая квантовая связь, в которой сосуществуют энергия и логика.
Но пока следующей задачей разработчики для себя видят увеличение размера созданного прототипа квантовой батареи и продления времени хранения энергии. Возможно, это будет гибрид обычной батарейки и квантовой.
Очевидный вывод.
Фактически, квантовые батареи могут стать именно тем решением, которое необходимо квантовым компьютерам. Их просто соединят с кубитами квантового компьютера по принципу квантовой запутанности. Получится своего рода симбиоз квантовых батареи и компьютера.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.