Квантовите батерии: нарушаване на законите на причинно-следствената връзка за подобряване на ефективността

Квантовите батерии привличат вниманието на изследователите в областта на съхранението на енергия. Неотдавна японски изследователски екип използва неинтуитивен квантов феномен, наречен неопределена причинно-следствена последователност, за да подобри ефективността на зареждането. Този пробив би могъл да ускори времето за зареждане на батериите и да увеличи тяхната дълговечност (продължителност на живота в добро състояние), което има значение за потребителската електроника, автомобилите и възобновяемата енергия.

Във връзка с актуалността на изменението на климата и стремежа към енергийна автономност изследванията понастоящем се насочват към квантовите батерии. Неотдавна екип от изследователи от Токийския университет, ръководен от Юанбо Чен, проучи обещаваща нова посока: използването на квантовите явления за оптимизиране зареждането на батериите. Става дума за неопределен каузален ред – явление, при което редът на събитията не следва обичайната причинно-следствена последователност.

Тези изследвания се провеждат на фона на нарастващото световно търсене на по-ефективни решения за съхранение на енергия, особено за да се отговори на нуждите от възобновяема енергия и на електромобилите. Научната работа на Чен и колегите му може да се окаже повратна точка в използването на неопределения причинно-следствен ред – концепция, която е на границата на теоретичната физика и практическите приложения. Изследването е публикувано в списание Physical Review Letters.

Стъпка към неопределеността

В ежедневието ни причинно-следствената връзка следва еднопосочна логика: едно събитие предхожда и влияе на друго, при това по нееднозначен начин. Това е в основата на нашето разбиране за време и последователност на действията. С други думи, ако събитие А предизвиква събитие Б, то Б не може да бъде причина за А. Тази линейност обаче се оспорва от законите на квантовата механика, където явленията могат да бъдат толкова заплетени, че разликата между причина и следствие да стане неясна или дори взаимозаменяема.

Юанбо Чен и неговите партньори от Токийския университет смятат, че тази сложност, присъща на квантовата причинност, може да се използва за подобряване на съхранението на енергия. Те са взели предвид тази идея в своя експеримент с две зарядни устройства, захранващи квантова батерия. Те са оценили прираста на енергията и ефективността на зареждане на батерията при три различни сценария: последователно свързване на зарядните устройства, едновременно захранване на батерията от зарядните устройства и ситуация, при която източникът на зареждане остава неопределен поради суперпозиционната причинност.

При последния сценарий батерията е съхранила най-много енергия по най-ефективния начин, дори когато връзката между зарядните устройства и батерията е била слаба, което показва, че процесът може да бъде ефективен дори при неидеални зарядни устройства. Възможността за съвместно съществуване на събития в състояние на наслагване, при което ролите на причината и следствието не са фиксирани, открива възможност за по-бързо и по-ефективно зареждане на батерията.

Изследователите са провели предварителен експеримент с квантова светлина, за да демонстрират осъществимостта на този протокол, основан на неопределена причинност, с помощта на устройство, наречено квантов превключвател. Все още обаче предстои да се тества прякото прилагане на този протокол за създаване на пълноценна квантова батерия.

Към устойчиво енергийно бъдеще?

Ако квантовите батерии бъдат въведени в практиката, последиците от тях биха могли да бъдат широкообхватни. В сектора на възобновяемите енергийни източници те ще позволят по-ефективното съхраняване на слънчевата или вятърната енергия, като по този начин ще се намалят проблемите, свързани с непостоянството на тези източници. Това означава, че енергията, произведена в периоди на високо производство, може да се съхранява в по-стабилна форма и да се освобождава, когато е необходимо.

В областта на електрониката последиците са също толкова значителни. Квантовите батерии биха могли да позволят на ежедневните мобилни устройства като смартфоните и лаптопите да работят без презареждане в продължение на седмици.

За транспорта, особено за електромобилите, квантовите батерии биха могли да означават много по-дълги разстояния с едно зареждане, което би направило електромобилите по-практични за дълги пътувания и би намалило безпокойството, свързано с пробега. Освен това зареждането на подобни батерии може да бъде много по-бързо, което ще намали времето за престой и ще подобри цялостната ефективност на пътуванията.

По този начин квантовите батерии могат не само да подобрят съществуващите продукти, но и да дадат възможност за разработване на нови технологии, които досега са били немислими поради ограниченията на конвенционалните батерии. Това може да доведе до нова ера на енергийните устройства, в която устойчивостта и ефективността вече не са противоречиви цели, а конкретни реалности.