Учёные из Национального научного агентства Австралии (CSIRO) представили первый рабочий прототип квантовой батареи с непривычным свойством: чем больше становится такой накопитель, тем быстрее он заряжается. С обычными аккумуляторами всё наоборот: чем больше их ёмкость, тем дольше время заряда. Но квантовый мир настолько необычен, что свойственные ему коллективные взаимодействия частиц способны работать вопреки нашему повседневному опыту.

Впервые о доказательстве концепции квантовой батареи сообщалось в марте этого года. Исследователи из CSIRO показали, что это может работать, но тогда они не смогли показать полезную работу квантового аккумулятора — снять с него ток для питания нагрузки. Сегодня, как сообщает BBC, разработчики доработали прототип, добавив ещё один рабочий слой, который позволяет показать фактически полноценную работу необычного аккумулятора. Впрочем, подробностей на этот счёт нет, а собранные данные будут позже оформлены в научную статью.

Основой прототипа стала оптическая микрополость — структура из двух зеркал, расположенных на расстоянии около 100 нм друг от друга. Внутри неё находятся органические молекулы красителя, которые облучаются лазером. При этом возникает сильная связь между фотонами света и молекулами вещества: формируются гибридные состояния света и материи, известные как квазичастицы поляритоны. Это же ведёт к эффекту сверхпоглощения (superabsorption), при котором молекулы перестают индивидуальничать — поглощать энергию независимо друг от друга — и начинают действовать согласованно. Чем больше таких молекул участвует в процессе, тем выше скорость накопления энергии. Иначе говоря, чем больше ёмкость такого аккумулятора, тем быстрее он заряжается.

Эксперименты показали, что квантовая батарея способна заряжаться за фемтосекунды, а сохранённая энергия удерживается уже в течение наносекунд, что примерно в миллион раз дольше времени зарядки. Прототип накапливает мизерную энергию в объёме нескольких миллиардов электрон-вольт, поэтому до практического применения в смартфонах или электромобилях, если до этого дойдёт дело, в чём многие пока ещё сомневаются, ему ещё очень и очень далеко. Однако к августу исследователям удалось добавить дополнительные слои в аккумулятор, которые позволили извлекать из квантового накопителя электрический ток, что стало важным шагом от демонстрации физического принципа к полноценному устройству.

Главным преимуществом предложенной конструкции является возможность работы при комнатной температуре. Другие варианты квантовых батарей, основанные на сверхпроводящих материалах, требуют глубокого охлаждения ниже примерно −150 °C или даже сильнее, что ограничивает их использование. Тем не менее, специалисты отмечают, что главная проблема пока остаётся нерешённой: необходимо научиться эффективно извлекать накопленную квантовую энергию в стабильной и управляемой форме.

Наиболее вероятным первым применением технологии станет питание квантовых вычислительных систем, где сверхбыстрая передача энергии может снизить энергопотребление и повысить масштабируемость квантовых процессоров. Возможность замены обычных аккумуляторов в телефонах и электромобилях пока остаётся предметом дискуссий — даже учёные с их свободой полёта мысли не позволяют с уверенностью утверждать о появлении подобных продуктов. По крайней мере, в обозримом будущем.

Скептики считают, что схема с оптическим резонатором в принципе труднореализуема как стабильный источник контролируемого съёма тока, не говоря о её применении в бытовых устройствах или электромобилях. Сверхпроводящий вариант более удобен для реализации, но он вряд ли будет развит до работы с мощными потребителями и точно не подойдёт для питания бытовых устройств. Зато для питания квантовых платформ сверхпроводящий квантовый аккумулятор выглядит рабочим решением, хотя сейчас он находится на очень ранней стадии своей разработки. Но надо ли судить об этом так строго? Мир впервые узнал о квантовых батареях чуть больше десяти лет назад — в 2013 году — и вряд ли успел проникнуться этим открытием.

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме