Vsi poznamo to neprijeten občutek kvantna : indikator napolnjenosti baterije pametnega telefona zasveti rdeče v najbolj neprimernem trenutku. Živimo v svetu, kjer je vse odvisno od elektrike, vendar so naše možnosti za hitro shranjevanje in prenos energije še vedno neudobne in zastarele. Kaj če bi obstajal način, da bi napravo napolnili v nekaj sekundah namesto v eni uri? Kaj če bi lahko energijo uporabljali učinkoviteje, kot to dopuščajo zakoni klasične fizike?
To ni znanstvena fantastika. To je realističen cilj, h kateremu stremijo znanstveniki, ki delajo na kvantnih baterijah . Nedavno je skupina raziskovalcev iz Francije in Italije očitno dosegla pravi preboj, ko je ustvarila teoretični model, ki ne le obeta, ampak tudi dokazuje možnost takšne tehnološke revolucije.
Kvantna obljuba in kruta realnost
Ideja kvantne baterije obstaja že več let. Teoretično zveni odlično: z uporabo čudnih zakonov kvantnega sveta, kot je zapletenost, je mogoče ustvariti naprave za shranjevanje energije, ki se polnijo eksponentno hitreje kot običajne baterije. Predstavljajte si, da namesto počasnega »prenos« energije iz stika v baterijo, bi jo lahko teleportirali v trenutku . Zveni privlačno, kajne?
A kot se pogosto zgodi v znanosti, med lepo teorijo in dejanskim rezultatom leži ogromna vrzel. Dolgo časa so bili vsi predlagani modeli le matematične vaje. Bili so bodisi tako zapleteni, da jih ni bilo mogoče preveriti, bodisi ob natančnejšem pregledu niso pokazali nobene resnične »kvantne prednosti«. To pomeni, da so bili na papirju kvantni, v praksi pa niso delovali bolje od stare dobre litij-ionske baterije.
Ko je zapletenost sovražnik napredka
Eden najbolj obetavnih, a tudi najbolj zapletenih modelov je bil tako imenovani model Sachdev-Ye-Kitaev ( SYK ). Opisoval je sistem z ogromnim številom medsebojno delujočih delcev in v računalniškem modeliranju je resnično pokazal neverjetno povečanje zmogljivosti polnjenja. Problem? Ta model je bil pravi teoretični pošast – tako zapleten, da je bilo praktično nemogoče analitično, tj. s pomočjo formul, dokazati njegovo prednost. Izdelava takšne naprave v laboratorijskih pogojih pa je presegala sodobne možnosti.
Znanost je zašla v nekakšno slepo ulico: vedeli smo, da je nekje tam, v globinah kvantne mehanike, skrit ključ do superhitrega polnjenja, vendar so bile vse poti do njega preveč trnate.
Je genialnost preprosta? Dve področji in ena skrivnost.
Prav tu se je ekipa iz Raziskovalne univerze PSL in Univerze v Pizi odločila, da bo šla po drugi poti. Namesto da bi stvari zapletali, so se odločili, da jih bodo poenostavili. Njihov model je na prvi pogled smešno preprost .
Predstavljajte si dve gugalnici. Ena je »polnilnik«, druga pa »baterija«. V običajnem svetu je treba drugo gugalnico pravočasno potisniti, da se začne gugati. Energija se bo prenašala, vendar precej počasi in predvidljivo. To je naša klasična baterija.
Sedaj dodajmo še malo kvantne magije. Znanstveniki so predlagali, da se ti dve »nihanci« (v njihovem modelu sta harmonična oscilatorja) povežeta na poseben, neharmoničen način. Kot da bi dva človeka, ki se zibata na isti gugalnici, delovala v idealni, nadnaravni sinhronosti, pri čemer uporabljata nekakšen skrivni trik, da takoj preneseta vso energijo.
Ta »skrivni trik« je kvantna zapletenost . V procesu te zapletenosti sistem pridobi dostop do neklasičnih stanj. Delci »polnilnika« in »baterije« so povezani z nevidno nitjo, ki ustvarja nekakšno »kratko pot« za energijo. To je kot teleport ali skrivni prehod v videoigri, ki omogoča takojšen prehod iz ene točke v drugo, brez dolgega potovanja. Klasična fizika takih »kratkih poti« preprosto ne pozna.
Teorija je seveda lepa, ampak kaj pa dokazi?
Najpomembnejše v novi raziskavi je, da to ni le še ena lepa ideja. Raziskovalci so prvič uspeli prepričljivo dokazati njeno premoč. Kako jim je to uspelo?
Najprej so svoj kvantni model primerjali z natančnim klasičnim analogom – z običajno nihajočo gugalnico. Rezultat je bil osupljiv: kvantna različica se je napolnila bistveno hitreje.
Drugič, in to je najpomembneje, so pokazali, da njihov model doseže tako imenovano kvantno hitrostno mejo. To je temeljna meja, določena z zakoni kvantne mehanike, ki določa hitrost katere koli kvantne sisteme. Preprosteje povedano, njihov akumulator ni samo hiter – je teoretično najhitrejši. To je kot ustvariti motor, ki ne samo da prekaša konkurente, ampak doseže absolutno hitrostno mejo, ki jo narekujejo zakoni vesolja.
Kaj bo naslednje? Od formul do železa
Seveda ne smemo pričakovati, da bodo kvantne baterije v naslednjih letih prišle v naše pametne telefone. Zaenkrat je to le eleganten teoretični model. Naslednji korak je njegova uresničitev v realnem napravi. Avtorji sami predvidevajo, da bi za ta namen lahko uporabili superprevodne električne vezje – miniaturne sheme, ki pri izredno nizkih temperaturah izgubijo električni upor in začnejo kazati kvantne lastnosti .
Delo italijanskih in francoskih fizikov ni le še en članek v znanstveni reviji. Je svetilnik, ki kaže pot za celotno področje. Dokazuje, da je resnična kvantna prednost pri prenosu energije dosegljiva, in to v relativno preprostem in razumljivem sistemu.
To ni le tekma za najhitrejši način polnjenja. To so prvi samozavestni koraki k upravljanju energije na najbolj temeljni ravni realnosti. In kdo ve, morda bodo zaradi te raziskave naši potomci zmedeni, ko bodo slišali zgodbe o tem, kako smo ure in ure držali svoje naprave priključene na omrežje.
