Kwantowe akumulatory? Teoria brzmi wspaniale. Praktyka... nie istnieje

Tegorocznego Nobla z chemii przyznano trzem naukowcom, którzy przyczynili się do opracowania i rozwoju akumulatorów litowo-jonowych. Ich historia sięga początku lat 70. ubiegłego wieku, co według obecnych standardów i tempa, w jakim rozwijają się stosowane przez nas technologie oznacza, że ten sposób ich zasilania robi się już powoli przestarzały. I że trzeba poszukać czegoś nowego i lepszego. Co powiecie na kwanty?

Fizyka kwantowa sama w sobie brzmi dość absurdalnie, więc jeśli dołożymy do tego fakt, że ktoś opracował sposób, jak wykorzystać ją (fizykę kwantową) do budowy wydajnych akumulatorów, które w przyszłości zasilą nasze mobilne gadżety i komputery kwantowe, wszystko staje się czarną magią. A tu proszę: rzeczywiście, tak się stało. Tzn. w teorii. A nawet w kilku. Pierwsze odkrycie zawdzięczamy naukowcom z Uniwersytetu Alberty i Uniwersytetu Toronto, którzy opracowali model kwantowego akumulatora, który - jeśli teoria okaże się prawdziwa - nigdy nie rozładuje się sam z siebie.

Taki kwantowy akumulator miałaby magazynować energię ekscytoniczną, czyli taką, która powstaje w momencie absorpcji energii fotonu (o ile ten zawiera odpowiednio dużą dawkę energii) przez elektron. Gabriel Hanna, chemik i główny autor badania tłumaczy, że cały trik, jeśli chodzi o działanie kwantowego akumulatora, polega na stworzeniu bezstratnego układu, w którym przechowywana byłaby energia ekscytoniczna.

Można to osiągnąć, stosując otwarty model sieci kwantowej o wysokiej symetrii strukturalnej. Dodatkowym warunkiem jest jeszcze to, że taka sieć musi znajdować się w stanie ciemnym. Chodzi tu o znaczenie dosłowne - w ciemności taki układ nie może wymieniać energii z otoczeniem, co oznacza, że kwantowy akumulator tego typu byłby odporny na straty energii.

Naukowcy z Uniwersytetu Alberty i Uniwersytetu Toronto zaproponowali na razie ogólną koncepcję samego działania takiego ogniwa. Nikt nie wie jednak, jak konkretnie ładowalibyśmy taki akumulator (tak, żeby miało to jakikolwiek sens) i czy byłby na tyle wydajny, żeby miał zastosowanie praktyczne. W skrócie: naukowcy dysponują na razie modelem teoretycznym, który wydaje się brzmieć sensownie, ale nikt nie wie, czy będzie też sensownie działał. Trzymam kciuki.

Inna koncepcja na stworzenie kwantowego akumulatora powstała na Uniwersytecie Oksfordzkim. Jej głównym pomysłodawcą jest fizyk Felix C. Binder, który zaproponował, aby takie ogniwo bazowało na energii przechowywanej przez kubity. Pomysł ten jest o tyle uniwersalny, że kubitami mogą być fotony, całe atomy, czy jony. Taka struktura, oczywiście w teorii, oznaczałaby, że czas ładowania tego typu akumulatorów byłby o wiele krótszy, niż w przypadku tradycyjnych ogniw litowo-jonowych.

O ile konkretnie krótszy? Doskonałe pytanie. Nie wiadomo, ale generalnie zasada działania, według Bindera wyglądałaby mniej więcej tak: kubity są ze sobą kwantowo splątane. Im bardziej są ze sobą splątane, tym czas ładowania takiego akumulatora jest krótszy. Sam proces ładowania polegałby z kolei na zmienie stanu takiego kubita ze stanu niskiej energii, na stan wysokiej energii. A przez to, że kubity wewnątrz takiego akumulatora byłyby ze sobą powiązane (przez zjawisko splątania), można by opisać je tym samym stanem kwantowym.

Zespół Bindera wykazał dodatkowo, że splątanie kubitów oznacza skrócenie przestrzeni, jaką muszą przebyć, żeby zmienić stan (z nienaładowanego na naładowany). Zespół z Oksfordu wykazał (w teorii), że jeśli zmiana stanu (czyli naładowanie) jednego kubitu zajęłaby np. godzinę, to przy sześciu splątanych kubitach czas ten skróciłby się do ok. 10 minut. Brzmi totalnie nielogicznie, ale to fizyka kwantowa, musicie jej wybaczyć.

Oba teoretyczne rodzaje akumulatorów kwantowych dzielą ze sobą jeden, największy (o ironio) problem. Układy kwantowe, przynajmniej te, które (wydaje nam się, że) znamy dzisiaj, potrafią przechowywać bardzo niewielką ilość energii. O wiele mniejszą niż potrzebna do zasilania gadżetów, z których korzystamy na co dzień. Według Johna Goolda z Międzynarodowego Centrum Fizyki Teoretycznej w Trieście, istnieją dwa rozwiązania tej kwestii: albo nauczymy się tworzyć elektronikę, która do działania potrzebować będzie o wiele mniej energii, albo znajdziemy sposób na tworzenie większych układów kwantowych, które da się kontrolować na tyle, żeby miały one jakiekolwiek praktyczne zastosowania.

Drugim problemem jest sama natura kwantów. A raczej stanów kwantowych, które są bardzo nietrwałe i zniszczyć je może jakakolwiek interakcja z otoczeniem. Na przykład obserwacja. Do tego nadal nie wiemy, czy tego typu ogniwa będą w stanie dostarczyć energii uporządkowanej (czyli pracy), czy będą nadawać się tylko do dostarczania energii nieuporządkowanej (czyli ciepła). Ale ponownie: trzymam kciuki, żeby komuś udało się tego dowiedzieć.

O ile to możliwe.