- Kvantové baterie fungují na principu kvantových bodů
- Baterie budoucnosti se nabíjejí rychleji díky kvantovým efektům, jako je superpozice a superabsorpce
- ICO technologie má potenciál řešit problémy spojené s nabíjením kvantových baterií
Kvantové baterie jsou nový typ baterií, které využívají kvantové jevy k dosažení vyšší energetické hustoty, rychlejšího nabíjení a delší životností ve srovnání s běžnými elektrochemickými bateriemi. V současné době jsou však kvantové baterie stále v počáteční fázi vývoje a je třeba překonat řadu výzev, než se stanou komerčně dostupnými.
Fungování kvantových baterií je stále předmětem výzkumu. Jednou z nejpopulárnějších teorií, jak kvantové baterie fungují, je teorie kvantových bodů. Tato teorie předpokládá, že kvantové baterie jsou tvořeny kvantovými bodovými mřížkami. Kvantové bodové mřížky jsou struktury, které jsou tvořeny periodickým uspořádáním kvantových bodů. Důležité je zmínit, že kvantový bod je objekt, jehož velikost je menší než vlnová délka světla, to znamená, že se jeho chování řídí kvantovou mechanikou.
Kvantové baterie fungují zejména na principu kvantové superpozice a superabsorpce. Kvantový systém, který je základem kvantové baterie, může být v superponovaném stavu, ve kterém může existovat v několika různých energetických hladinách současně. To umožňuje kvantové baterii ukládat více energie než klasická baterie, která může ukládat energii pouze v jedné energetické hladině.
Superpozice, aneb když nelze vybrat jen jednu možnost
V kvantové mechanice označuje termín superpozice stav částice, který je lineární kombinací dvou nebo více tzv. vlastních stavů. Jednoduše řečeno je to stav, ve kterém se částice nachází v několika možných stavech současně, přičemž každý z těchto stavů má určitou pravděpodobnost. Superpozice je jedním z klíčových konceptů kvantové mechaniky, který se liší od klasické fyziky, kde by částice existovala pouze v jednom konkrétním stavu. Jak si superpozici představit, k tomu nám může posloužit jednoduchý příklad.
Představme si, že máme malý kouzelný pytlík, v němž je jediný předmět. Tento předmět může mít jednu ze dvou barev, buď červenou nebo zelenou. Když máme pytlík zavřený a nedíváme se do něj, nevíme, jakou barvu má náš předmět. V této chvíli můžeme konstatovat, že předmět je v superpozici červeného a zeleného stavu. Podíváme-li se do pytlíku (jinými slovy provedeme měření), předmět se zhroutí do jednoho konkrétního stavu – bude buď červeného, nebo zeleného, dvě barvy mít současně nemůže. Superpozice nám umožňuje si představit, že kouzelný předmět může být ve více stavech zároveň, dokud neuděláme něco, co nám řekne, v jakém stavu se skutečně nachází.
Superabsorpce u kvantových baterií
Nyní si ve stručnosti jednoduše představíme další kvantový jev, který je důležitý v kontextu kvantových baterií, a to superabsorpci. Superabsorpce je kvantový jev, při kterém kvantový systém může absorbovat energii mnohem efektivněji než klasický systém. V kontextu kvantových baterií se superabsorpce používá k dosažení rychlejšího nabíjení.
Jak funguje superabsorpce v kvantových bateriích? Kvantové baterie používají k ukládání energie kvantové systémy, které se vyznačují tím, že mohou absorbovat energii v určitých vlnových délkách nebo frekvencích. Například kvantový bod je malá struktura, ve které je elektron uvězněn. Elektron může absorbovat energii ve formě fotonu, pokud má foton správnou vlnovou délku nebo frekvenci. Pokud je kvantový systém v superponovaném stavu, znamená to, že může absorbovat energii v širším rozsahu vlnových délek nebo frekvencí. To umožňuje kvantovým bateriím absorbovat energii z širšího spektra zdrojů energie.
Problémem kvantových baterií je jejich nabíjení
Kvantové baterie, které jsou v současnosti omezeny na oblast laboratorních experimentů, jsou obrovským příslibem pro budoucí praktické aplikace. Výzkumníci po celém světě pilně zkoumají různé aspekty a snaží se je spojit do plně funkčních a účinných řešení. Jednu takovou hranici zkoumá postgraduální student Yuanbo Chen a docent Yoshihiko Hasegawa z katedry informačního a komunikačního inženýrství na Tokijské univerzitě. Ve spolupráci s výzkumným pracovníkem Gaoyanem Zhuem a profesorem Pengem Xue z Pekingského výzkumného centra výpočetní vědy tým experimentoval s metodami nabíjení kvantových baterií pomocí optických zařízení, jako jsou lasery, čočky a zrcadla.
Jednou z výzev, kterým kvantové baterie čelí, je jejich nabíjení. Tradiční protokoly nabíjení kvantových baterií jsou založeny na předem daném kauzálním pořadí, kde příčina předchází následku. To znamená, že nabíjecí proces musí předcházet extrakci energie.
Kvantové baterie, které využívají mikroskopické částice, jako jsou atomová pole, se liší od běžných zařízení pro ukládání energie využívajících obvykle chemické látky, jako je lithium. Chen vysvětluje: „Zatímco chemické baterie podléhají konvenčním fyzikálním zákonům, mikroskopické částice operují na základě kvantové povahy, což nám otevírá možnost zkoumat nové přístupy v jejich využití. Tyto přístupy nejen odklání, ale někdy dokonce porušují naše intuice ohledně toho, co se děje v mikroskopickém měřítku.“
Nedávná studie publikována v časopise Physical Review Letters popisuje, jak vědci z Číny navrhli a experimentálně ověřili nový protokol nabíjení kvantových baterií, který využívá princip indefinite causal order (ICO). Tento protokol překračuje tradiční omezení kauzální posloupnosti a umožňuje, aby se nabíjecí proces a extrakce energie odehrávaly současně.
ICO využívá kvantový systém, který může existovat ve více energetických hladinách současně. Nabíjecí proces začíná tím, že se energie přenese do systému v superponovaném stavu. Tato energie se pak může použít k nabití baterie nebo k extrakci energie. Výsledky experimentu ukázaly, že ICO může výrazně zvýšit energetickou hustotu a účinnost nabíjení kvantových baterií. Vědci také zjistili, že ICO může vést k anomálním jevům, například méně výkonný nabíječ může nabít kvantovou baterii s větším množstvím energie a vyšší účinností.
Výhody technologie ICO
Technologie ICO má řadu výhod oproti tradičním protokolům nabíjení kvantových baterií. První výhodou je vyšší energetická hustota. ICO umožňuje nabít kvantovou baterii větším množstvím energie než tradiční protokoly. To proto, že energie se může přenášet do systému v superponovaném stavu, což umožňuje baterii uložit více energie než v klasickém stavu. Nesmíme opomenout ani vyšší účinnost. ICO umožňuje nabít kvantovou baterii s vyšší účinností než tradiční protokoly. To proto, že energie se může přenášet do systému s větší efektivitou, když je v superponovaném stavu.
Technologie ICO má potenciál přeměnit technologii kvantových baterií. Pokud se podaří překonat výzvy, které stojí v cestě jejímu komerčnímu využití, mohlo by ICO vést k vývoji kvantových baterií s výrazně vyššími výkonnostními charakteristikami než současné klasické baterie. Jaké by mohlo být potenciální využití technologie ICO? V chytrých zařízeních by ICO mohlo umožnit nabíjení baterií mnohem rychleji a účinněji. To by mohlo vést k prodloužení životnosti baterií a snížení jejich závislosti na externích zdrojích energie.
