اختراق كمي جذري يمكن أن يشحن البطاريات في جزء من الثانية: تنبيه علمي

يمكن للبطاريات المبنية على الطبيعة الموجية للجسيمات المشحونة أن تحدث ثورة في مجال تخزين الطاقة، حيث تقوم بتجميع المزيد من الطاقة بمعدل أسرع مما يُعتقد أن الخلايا الكهروكيميائية التقليدية تستطيع إدارتها.

سيغير البروتوكول الجديد الذي طوره فريق من الفيزيائيين في جامعة تشينغ كونغ الوطنية المبادئ الأساسية للشحن السريع. البطارية الكمومية ومن الناحية العملية، فهو يوضح الطرق التي يمكن من خلالها استخدام تراكب البطارية لتخزين الطاقة بسرعة وكفاءة.

من أساسيات فيزياء الكم المبدأ القائل بأن جميع أجزاء المادة لها هوية موجية تنتشر عبر المكان والزمان.

على عكس تجربتنا للواقع، تمثل هذه الموجات خصائص جسم ما – سواء كان إلكترونًا، أو جزيئًا، أو قطة، أو كوكبًا بأكمله – في نطاق من الاحتمالات يشار إليه باسم تراكبه.

في السنوات الأخيرة، تساءل الباحثون عما إذا كان التراكب يتكون من كائن واحد أو أكثر واحدة مشتركة الرمز البريدي الفوضوي والارتداد للأشياء الساخنة في الآلة. ويمكن الاستفادة من هذه الظاهرة الكمومية لتوفير طرق جديدة لنقل وتخزين الطاقة.

إنها فكرة جيدة من حيث المفهوم، لكن تحويل النظرية وراء المحركات الحرارية الكمومية إلى جهاز عامل يتطلب تحديد العمليات المناسبة التي لا تهدر كل الطاقة.

قام الباحثون بشكل تجريبي بتقييم طريقتين لاستخدام تراكب الجسيمات لشحن بطارية كمومية افتراضية لتحديد ما إذا كانت حالتها الغامضة تنقل الطاقة بالفعل.

بدلاً من البطارية الفعلية، استخدم الفريق أيونًا محصورًا في حالة تراكب تسمى الكيوبت، والذي يمكنه اكتساب الطاقة أثناء مروره عبر الفضاء العاكس، والتحكم في أنواع الموجات التي تمر عبره.

ومن خلال إرسال الأيون عبر جهاز يقسم موجته إلى شعاعين، قارن الفريق قدرة البطارية على تخزين الطاقة أثناء مرور الموجات المنقسمة عبر نقاط دخول متعددة إلى تجويف واحد ثم إلى تجاويف متعددة.

لم يجدوا فقط أن تراكب الأيونات يسمح فعليًا بالشحن الفعال، ولكن نهج “العديد من الأبواب، غرفة واحدة” أدى إلى تأثير التداخل، والذي يؤدي نظريًا إلى ما يسمونه “ظاهرة الشحن المثالي”، مما يسمح بالتحويل الكامل. الطاقة المخزنة للعمل من البطارية الكمومية في أي وقت أثناء عملية الشحن.

لقد أثبتوا أن تأثير التداخل يستمر حتى عند إرسال أكثر من كيوبت واحد عبر التجويف، مما يجعل العملية قابلة للتطوير.

من خلال تنفيذ العملية منصة آي بي إم الكمومية وفي الأجهزة الكمومية الخاصة بـ IonQ، أظهر الفريق إثباتًا لمفهوم البروتوكول الخاص بهم، موضحًا أن نظامًا مشابهًا يمكن أن يكون وسيلة موفرة للطاقة لشحن واستخراج الطاقة بسرعة من نظام كمي.

على الرغم من أن الكيوبت يمكنه محاكاة الفيزياء الأساسية، إلا أنه ستكون هناك حاجة إلى أساليب جديدة لجعل البروتوكول أكثر عملية وأشبه بالبطارية.

ومع ذلك، تظهر التجربة أنه لا يوجد شيء في قوانين الفيزياء يمنعنا من استخدام المشهد الكمي لتخزين الطاقة طويلة العمر وسريعة الشحن.

مع ابتعاد العالم عن الوقود الأحفوري وبحثه عن المزيد من الطرق لتخزين الطاقة الكهربائية المولدة من الموارد المتجددة، ستصبح البطاريات القوية التي يمكنها امتصاص كميات كبيرة من الطاقة والاحتفاظ بها بسرعة ذات أهمية متزايدة.

تم نشر هذه الدراسة بحث في الفيزياء.