Bateria kwantowa. Czy nastąpi przełom w magazynowaniu energii?

Fizyka kwantowa jest z nami od czasów Maxa Plancka i Niehlsa Bohra oraz niechętnego im w przyjęciu, że „Bóg gra z nami w kości” Alberta Einsteina. Mimo tej niechęci, to właśnie za wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego (kwantowe do samego swego jądra), a nie za teorię względności, Einstein dostał swojego Nobla. Trzeba było wspiąć się w pewnym momencie na ramiona Maxwella i na nich stanąć, aby zobaczyć świat rozciągnięty ku dalszemu teoretycznemu horyzontowi.

Rozwój mechaniki kwantowej

Dobra nauka zawsze zaczyna się od dobrej filozofii i postępującej za nią dobrej teorii. Nauka rodzi się w pierwszej kolejności z wyobraźni i zdolności do abstrakcyjnego myślenia, tak niestety zapomnianej w modelach polskiego kształcenia, a grzebanej w coraz głębszym grobie przez kolejne rodzime „deformy” edukacji.

Przepraszam za tę dygresję, wróćmy do kwestii etapu, na jakim dziś mechanika kwantowa się znajduje, dzięki niezwykłemu postępowi w technologiach obliczeniowych, oraz co to może mieć wspólnego z energetyką.

Jestem szczęśliwa, iż mogę donieść, że mechanika kwantowa stała się teoretyczną podstawą dla urządzeń, z których korzystamy na co dzień, jak światłowody, oraz eksperymentalnych urządzeń o zwiększającej się mocy i sprawności, jak procesory kwantowe (zwane mylnie komputerami), a także coraz liczniejszych prototypów urządzeń kwantowych służących m.in. do przesyłu, kodowania i magazynowania informacji. Czytelników ciekawych, jak pole to rozwija się, także dzięki udziałowi polskich uczonych, już nie tylko teoretyków, ale właśnie fizyków eksperymentalnych, zapraszam na łamy „Plus Minus Rzeczpospolitej”, gdzie można spotkać jednego z nich, dr. hab. Michała Parniaka.

Przełomowa bateria

Natomiast na łamach bardzo prestiżowego czasopisma „Physical Review Letters” ukazała się praca jeszcze teoretyczna, ale przygotowująca solidny grunt pod tzw. „proof of concept experiment” uczonych europejskich (afiliowanych w instytutach francuskich, włoskich i hiszpańskich), modelująca baterię kwantową. Podobnie, jak we wspomnianych przeze mnie wcześniej i licznych innych już istniejących urządzeniach czy technologiach kwantowych, stanowiących alternatywę dla urządzeń klasycznych, ma ona  potencjał, aby przewyższyć swój klasyczny odpowiednik  w określonych warunkach lub scenariuszach.

Bateria kwantowa miałaby zatem służyć do magazynowania energii wydajniej niż baterie klasyczne, a jednocześnie ładować się szybciej. Większość proponowanych dotychczas rozwiązań baterii kwantowych nie wykazała jeszcze rzeczywistej przewagi kwantowej, czyli – innymi słowy – nie działała lepiej niż ich klasyczne odpowiedniki. Nowopowstały model jest pierwszym, który tę barierę – teoretycznie – pokonuje.

Przedstawiony obecnie (m.in. przez uczonych z PSL Research University i Uniwersytetu w Pizie) nowy, pozornie prosty model baterii kwantowej może wykazać rzeczywistą przewagę kwantową nad klasycznym akumulatorem analogowym. Osiągnął on bowiem tzw. granicę prędkości kwantowej, czyli maksymalną prędkość, jaką teoretycznie może osiągnąć układ kwantowy. Przy czym tu trzeba dodać, że baterie kwantowe z natury rzeczy, gdy już powstaną, będą urządzeniami mikroskopijnymi. Nie chodzi tu zatem o nowe technologie dla akumulacji energii ze źródeł odnawialnych czy jeszcze lepsze baterie do samochodów elektrycznych. Chodzi raczej o nanotechnologie, w tym te stosowane już dziś i w przyszłości np. w medycynie.

Jak zapewniają na łamach portalu phys.org współautorzy artykułu, Vittoria Stanzione i Gian Marcello Andolina: ten obszar badań wywodzi się z kwantowej teorii informacji, która przewiduje, że zasoby kwantowe – takie jak splątanie – mogą radykalnie zwiększyć moc ładowania układów kwantowych. W ostatnich latach niektórzy autorzy niniejszej pracy zaproponowali model wykazujący taką przewagę kwantową: model Sachdeva–Ye–Kitaeva (SYK). Model ten jest jednak niezwykle złożony, zarówno eksperymentalnie, jak i teoretycznie, stanowiąc wyzwanie analityczne”. 

Szansa dla Starego Kontynentu

Opierając się na swoich wcześniejszych pracach, Stanzione, Andolina i ich współpracownicy starali się zidentyfikować najprostszy możliwy model baterii kwantowej, który mógłby wykazać kwantową przewagę pod względem mocy ładowania. Jak sami wyjaśniają: „nasz model składa się z dwóch sprzężonych oscylatorów harmonicznych: jeden działa jako ładowarka, a drugi jako bateria. Kluczowym elementem umożliwiającym kwantową przewagę jest anharmoniczna interakcja między dwoma oscylatorami podczas procesu ładowania. To sprzężenie anharmoniczne pozwala systemowi na dostęp do nieklasycznych, splątanych stanów, które w efekcie tworzą „skrót” w przestrzeni Hilberta, umożliwiając szybszy transfer energii niż w dynamice klasycznej”.

Oscylator anharmoniczny to układ drgający, którego okres drgań zależy od amplitudy drgań, co nie zachodzi w przypadku oscylatora harmonicznego. W mechanice klasycznej byłoby to wahadło wychylone o bardzo duże kąty od pozycji równowagi (tylko dla małych wychyleń wahadło jest oscylatorem harmonicznym). Modelem zaś kwantowego oscylatora anharmonicznego opisuje się np. drgające cząsteczki dwuatomowe, gdy zakres wzbudzonych stanów energetycznych drgań cząsteczki jest duży, aż do energii dysocjacji włącznie.

Aby ze stosownym naukowym rygorem potwierdzić kwantową przewagę swojego modelu, naukowcy porównali go z odpowiednim klasycznym modelem baterii, jednocześnie implementując formalne ograniczenie, które zostało nakreślone przez polskiego uczonego, Macieja Lewensteina i jego współpracowników z Instytutu Nauk Fotonicznych (ICFO) w Barcelonie. Nowy, włosko-francusko-hiszpański model baterii kwantowej nie tylko przewyższył swój klasyczny odpowiednik, ale  proponowaną przez jego autorów konfigurację można zrealizować przy użyciu obecnych technologii eksperymentalnych. Do tego droga daleka, aczkolwiek  w swoim artykule badacze krótko analizują możliwość otrzymania tej baterii z wykorzystaniem obwodów nadprzewodzących, czyli obwodów elektrycznych wykonanych z materiałów o zerowym oporze w niskich temperaturach.

Budzimy się w przyszłości. Czy jej elementem będzie w pełni funkcjonalna bateria kwantowa? To bardzo prawdopodobne. Czy tak prosta w konstrukcji, jak ta zaproponowana właśnie na łamach „Physical Review Letters”? Wykluczyć tego nie można, wiele bowiem genialnych urządzeń charakteryzuje zasadnicza prostota konstrukcji. Teoretycy planują teraz ścisłą współpracę z eksperymentalnymi fizykami kwantowymi i nowo dziś kształconymi inżynierami kwantowymi oraz nanotechnologami, w celu „opracowania w pełni funkcjonalnej baterii kwantowej” – zintegrowanej z innymi technologiami kwantowymi. Miejmy nadzieję, że mimo pogłębiającej się katastrofy edukacyjnej na Starym Kontynencie, badania te nadal da się rozwijać właśnie tu, gdzie się ponad wiek temu zaczęły.