ما هي البطارية الكمومية؟ ومتى سيتم تشغيل جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بي؟

لقد قطعت البطارية الحديثة شوطا طويلا في تاريخها الممتد لـ 224 عاما. فبدلاً من أكوام الأقراص المعدنية والقماش المنقوع بالمحلول الملحي التي صنعها أليساندرو فولتا، أصبح لدينا الآن بطاريات بحجم قطعة بسكويت غراهام يمكن أن تدوم لأيام قبل أن تحتاج إلى إعادة شحنها.

ولكن ما هو سقف الأجهزة الموجودة حالياً في الأسواق؟ ما هو نوع التحديات التقنية التي يجب التغلب عليها لكسر هذا السقف، ومتى سيتم إزالة هذه العقبات؟ ما هو مستقبل تخزين الطاقة؟

يعمل عدد قليل من العلماء حول العالم على إجابة: تكنولوجيا البطاريات التي تستخدم قوانين فيزياء الكم، بدلاً من الفيزياء الكلاسيكية، لحمل الشحنة. إنه طريق طويل للغاية، لكن روما لم تُبنى في يوم واحد، ومن المؤكد أنها لم تُدعم في يوم واحد.

البطارية الأساسية المحبوبة

البطارية هي قطعة من التكنولوجيا التي تستخدم التفاعلات الكيميائية لإنتاج الطاقة الكهربائية. تنتج البطاريات المنزلية الطاقة الكهربائية عن طريق تدفق الإلكترونات عبر الدائرة. لقد تم تطوير خلايا بطارية مختلفة على مر القرون؛ يعتبر بنجامين فرانكلين هو من صاغ مصطلح “البطارية الكهربائية” في كتابه 1749 حرف، واختتمها بعبارات مسلية عن عجائب الكهرباء:

سيُقتل تركي أثناء عشاءنا بالصدمة الكهربائية؛ ويتم تحميصه بواسطة الرافعة الكهربائية، قبل أن تشتعل النار بواسطة الزجاجة المكهربة؛ عندما يتم شرب صحة جميع الكهربائيين المشهورين في إنجلترا وفرنسا وألمانيا في مصدات مكهربة، تحت تفريغ البنادق من البطارية الكهربائية.

تقدمنا ​​سريعًا من خلال عدد قليل من خلايا البطاريات المختلفة، سُميت معظمها على اسم العلماء الذين طوروها باستخدام التفاعلات الكيميائية لمختلف الأحماض والمعادن، وفي عام 1859 حصلنا على بطارية الرصاص الحمضية، وهي الأولى التي تتمتع بالقدرة على إعادة الشحن عن طريق عكس التيار عبر النظام. . في أواخر القرن العشرين، أصبحت بطارية الليثيوم أيون رائجة وظلت شعبية بشكل أساسي منذ ذلك الحين، وذلك باستخدام تباديل مختلفة من الليثيوم مع معادن وفوسفات أخرى. لكن طوال تاريخ البطارية الحديثة، لم يتغير المبدأ الأساسي للتفاعل الكيميائي الذي يولد الطاقة الكهربائية.

حسنا، ننسى البطارية. ما هيك هو “الكم”؟

دعونا نراجع بسرعة فيزياء الكم بخطوط واسعة. تعمل الجسيمات في الحالات الكمومية وفقًا لمجموعة مختلفة تمامًا من القواعد عن كل ما تراه من حولك، بدءًا من الماء في السحب وحتى الأوعية الدموية التي تتدفق عبر عروقك. تدخل الجسيمات إلى الحالات الكمومية في ظل ظروف قاسية: درجات حرارة شديدة البرودة وفي الفراغات. في هذه الظروف، يمكن للجسيمات أن تتصرف كأشياء متعددة في وقت واحد، مما يجعلها مفيدة للقيام بأشياء مثل العمليات الرياضية المعقدة (كما يفعل الكمبيوتر الكمي) والتحقق مما إذا كان السفر عبر الزمن (في المعنى) ممكن.

يمكن للأنظمة الكمومية أن تظهر أيضًا تشابكوهي ظاهرة يحدد من خلالها جسيمان كميان أو أكثر خصائص بعضهما البعض. في أجهزة الكمبيوتر الكمومية، تحمل الذرات الموجودة في المصفوفة المعلومات اللازمة لعملية معينة، كما تفعل البتات في جهاز كمبيوتر عادي. هذه الذرات هي البتات الكمومية، أو الكيوبتات.

لكن العمليات الكمية حساسة. في اللحظة التي يتم فيها التأكد من وجود أي قيمة في النظام الكمي، تنهار العملية. يعود النظام بأكمله – على سبيل المثال، الذرات الموجودة في المصفوفة – إلى حالته الكلاسيكية.

يمكن أن تستمر الحالات الكمومية لفترة طويلة. خذ بلورات الزمن، حالة المادة أولاً المقترحة في عام 2012 وهو ما أظهره الفيزيائيون في وقت سابق من هذا العام تستمر لمدة 40 دقيقة على الأقل، أطول بنحو 10 ملايين مرة من البلورات الأخرى المعروفة. هذه البلورات بعيدة كل البعد عن البطاريات الكمومية ولكنها توضح مدى سرعة مرور بعض الأنظمة الكمومية، وهي مشكلة مهمة يجب حلها إذا كنا سنعتمد على مثل هذه الأنظمة للحصول على الطاقة.

إذًا كيف تنطبق قواعد ميكانيكا الكم على البطارية، التكنولوجيا التي تسمح لك بمواصلة قراءة هذا المقال وربما المزيد بعد ذلك، بمجرد إعادة شحنها؟

البطاريات الكمومية كما هو متصور حاليا

مثل البطاريات العادية، تقوم البطاريات الكمومية – كما يُتصور – بتخزين الطاقة. ولكن هذا هو المكان الذي تنتهي فيه أوجه التشابه. على عكس التفاعلات الكيميائية التي تشحن وتستهلك الطاقة المخزنة في البطارية، يتم تشغيل البطاريات الكمومية عن طريق التشابك الكمي أو السلوكيات التي تربط البطارية ومصدرها بشكل أوثق.

وقال جو يون جيهم، الباحث الكمي في جامعة سيول الوطنية في كوريا الجنوبية، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى جيزمودو: “تتكون البطاريات الكمومية من العديد من الخلايا الكمومية التي تعمل مثل بطارية كمومية كبيرة واحدة”. “يكمن التحدي في كيفية الحفاظ على الخصائص الكمومية لفترة طويلة.”

نظرًا لأن نفس الخصائص تنطبق على البطاريات الكمومية مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، فيجب إزالة تحدٍ تقني كبير لرؤية التكنولوجيا تصبح حقيقة واقعة خارج إعدادات البحث: يجب على الفيزيائيين معرفة كيفية الحفاظ على الأنظمة الكمومية في حالاتها الحساسة خارج الأنظمة المدارة بعناية أكبر. إعدادات البحث. أ موصل فائق في درجة حرارة الغرفة سيكون مثل هذا الكأس، ولكن في هذه الأيام الوحيد الناس يدعون مثل هذا الاكتشاف كان عملهم فضح في غضون أشهر.

كتب فريق من خمسة علماء في ندوة حديثة حول البطاريات الكمومية، التي تُعقد حاليًا: “الديناميكا الحرارية في حالة التوازن لا تضع حدودًا لمدى سرعة تحويل الطاقة إلى حرارة وعمل”. مستضاف على خادم الطباعة المسبقة arXiv. “لذلك يبدو من الطبيعي البحث عن مزايا كمومية ديناميكية حرارية في الأنظمة الكمومية التي تخرج عن التوازن.”

ومضت المجموعة في الإشارة إلى أن التشابك الكمي مرتبط بمدى سرعة تخزين الطاقة في الأنظمة الكمومية للعديد من الأجسام، وهو اكتشاف دفع إلى البحث في الأنظمة الكمومية كأجهزة لتخزين الطاقة.

في عام 2018، قام فريق بتصميم نموذج لبطارية ديكي الكمومية، وهي أول بطارية يُقترح وجودها في بنية الحالة الصلبة. في عام 2022، قام فريق باختبار إطار أساسي للبطارية الكمومية في بيئة معملية باستخدام هدف ومرايا وضوء ليزر.

التجارب الأخيرة تدور حول المشكلة

في أواخر العام الماضي، اقترح فريق من الباحثين الكميين نظامًا يمكن من خلاله شحن البطاريات الكمومية بترتيب سببي غير محدد، أو ICO. النتائج التي توصلوا إليها —نشرت في رسائل المراجعة البدنية– افترض أن نظام الشحن مع ICO يمكن أن يتفوق على بروتوكولات الشحن التقليدية.

وقال يوانبو تشين، الباحث في جامعة طوكيو والمؤلف الرئيسي للبحث: “تقريبًا، يمكن استخدام ICO لبناء عمليات كمومية غير ممكنة في نظرية الكم القياسية، حيث يجب أن يكون الترتيب السببي محددًا أو ثابتًا”. ، في رسالة بالبريد الإلكتروني إلى Gizmodo. “تسمح هذه المرونة بمجموعة واسعة من العمليات الكمومية، والتي يمكن لبعضها إظهار خصائص مفيدة ومثيرة للاهتمام.”

“لقد شهدنا مكاسب هائلة في كل من الطاقة المخزنة في النظام والكفاءة الحرارية. وعلى نحو غير بديهي إلى حد ما، اكتشفنا التأثير المفاجئ للتفاعل الذي هو عكس ما قد تتوقعه: يمكن لشاحن منخفض الطاقة أن يوفر طاقات أعلى بكفاءة أكبر من الشاحن ذي الطاقة الأعلى نسبيًا والذي يستخدم نفس الجهاز. قال في ذلك الوقت.

تعني الإعدادات التجريبية المختلفة لأنظمة البطاريات الكمومية – سواء المقترحة أو المحققة – أن هناك مسارات مختلفة للابتكار في تصميم مثل هذه التكنولوجيا المستقبلية. في الشهر الماضي، قام فريق من جامعة غدانسك وجامعة كالجاري مقترح نظام شحن البطارية الكمي الذي يزيد من كمية الطاقة المخزنة في البطارية مع تقليل كمية الطاقة التي تتبدد (أو المفقودة) في عملية الشحن. جزء من إعادة تصميم الفريق هو أن البطارية الكمومية وشاحنها مقترنان بنفس الخزان، مما ينتج عنه نمط يشبه التداخل مما يحسن كفاءة نقل الطاقة بين الاثنين. ويقدر الفريق أن البطارية يمكنها تخزين أربعة أضعاف الطاقة من خلال عملية الشحن الجديدة مقارنة باستخدام الشاحن التقليدي.

وقال جيمس كواتش، الباحث الكمي في جامعة أديلايد في أستراليا، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “تتصرف البطاريات الكمومية بشكل أشبه بالموجة، حيث تعمل الجزيئات أو الذرات في انسجام تام، بينما في البطاريات التقليدية، تعمل الجزيئات أو الذرات مثل الجسيمات الفردية”. إلى جيزمودو. “هذا السلوك الجماعي هو ما يدعم خصائص الشحن فائقة التوسع للبطاريات الكمومية، حيث يستغرق شحن البطاريات الكمومية ذات السعة الأكبر وقتًا أقل.”

في عام 2022قام فريق بقيادة كواتش باختبار الإطار الأساسي للبطارية الكمومية عن طريق وضع صبغة جزيئية تسمى Lumogen-F البرتقالية في تجويف صغير، ونبض الضوء عليها لمعرفة كيفية تخزين الطاقة المنقولة بواسطة فوتونات الضوء. ووجد الفريق أن النظام يتم شحنه بسرعة ملحوظة، وأن الأنظمة الأكبر حجمًا يجب أن يتم شحنها بشكل أسرع بشكل عام.

وقال كواتش: “في الوقت الحالي، يستغرق الأمر من الفيمتو إلى البيكو ثانية لشحن بطارية كمومية تخزن حوالي ميكروجول من الطاقة لمدة نانو إلى ميلي ثانية”. “على الرغم من أن هذا لا يبدو وقتًا طويلاً، إلا أن وقت تخزينه أطول بمليون مرة من وقت الشحن. وعلى سبيل المقارنة، فإن هذا سيكون معادلاً للبطارية التقليدية التي يستغرق شحنها دقائق، وتكون قادرة على الاحتفاظ بهذه الشحنة لمئات السنين.

مثل تم عمل تقرير بواسطة عالم جديديرى بعض الفيزيائيين أن وقت شحن البطارية الكمومية يتناسب عكسيًا مع عدد الكيوبتات في النظام؛ بمعنى آخر، كلما كانت البطارية أكبر، كلما تم شحنها بشكل أسرع.

إذًا…متى يمكنني الحصول على بطارية كمية؟

تكتسب أبحاث البطاريات الكمومية اهتمامًا كبيرًا، لكنها لا تزال في بداياتها. على الرغم من أن وعدهم لافت للنظر، إلا أن التصميم النهائي للتكنولوجيا يظل سؤالًا مفتوحًا. التسويق؟ وهذا ليس سوى وميض في عيون أكثر الفيزيائيين اهتمامًا بالأعمال التجارية في الوقت الحالي.

وتظل القضية الرئيسية هي جعل الأنظمة الكمومية تبقى في الحالة الكمومية عندما يتم توسيع نطاقها. يعتقد كواتش أنه يمكن استخدام البطاريات الكمومية كمصدر طاقة متنقل في الهواتف والسيارات، لكن العديد من الأنظمة الكمومية تحتاج حاليًا إلى ظروف باردة جدًا وصامتة لتبقى على هذا النحو (جانبًا، يعمل إعداد كواتش التجريبي لعام 2022 في درجة حرارة الغرفة). ليس لإحباط معنوياتك عزيزي القارئ، ولكن الاندماج النووي ربما تكون أقرب إلى الواقع من البطاريات الكمومية الموجودة في أجهزتنا.

على الرغم من أن العديد من المراسلين المتشككين يكرهون الاعتراف بذلك، إلا أنني أحب أن أتناول كلماتي. الشيء الوحيد الأفضل من أن تكون على حق هو أن تجد للعالم مكانًا أفضل على حساب كونك على خطأ. يمكن أن يتم شحن البطاريات الكمومية بشكل أسرع وأكثر كفاءة من الأجهزة الكلاسيكية، ويمكن أن تتكامل مع التقنيات الكمومية الناشئة التي تستخدم في عمليات المحاكاة والقياسات النبيلة. لم يتم حتى الآن إثبات وجود بطارية كمومية تعمل بكامل طاقتها، ولكن وفقا للندوة الأخيرة، فإن مثل هذه التكنولوجيا يمكن أن تحدث ثورة في الطريقة التي نحصد بها الطاقة وتوصيلها والتحكم فيها. نظرا للبشرية واضحة الاعتماد على الكهرباءتخزين الطاقة يمكن أن يحقق نقلة نوعية.

أكثر: حصل الفيزيائيون على كمبيوتر كمي للعمل عن طريق تفجيره بتسلسل فيبوناتشي