Όλοι γνωρίζουμε αυτό το δυσάρεστο συναίσθημα: η ένδειξη της μπαταρίας του smartphone ανάβει κόκκινη την πιο ακατάλληλη στιγμή. Ζούμε σε έναν κόσμο όπου όλα εξαρτώνται από την ηλεκτρική ενέργεια, αλλά οι δυνατότητές μας για γρήγορη αποθήκευση και μεταφορά της είναι ακόμα άβολα και αρχαϊκά. Τι θα γινόταν αν υπήρχε ένας τρόπος να φορτίζουμε μια συσκευή σε κλάσματα του δευτερολέπτου αντί για μια ώρα; Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να χρησιμοποιούμε την ενέργεια πιο αποτελεσματικά από ό,τι επιτρέπουν οι νόμοι της κλασικής φυσικής;
Δεν πρόκειται για σενάριο επιστημονικής φαντασίας. Είναι ένας ρεαλιστικός στόχος, προς τον οποίο τείνουν οι επιστήμονες που εργάζονται πάνω στις κβαντικές μπαταρίες . Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών από τη Γαλλία και την Ιταλία φαίνεται να έχει κάνει μια πραγματική ανακάλυψη, δημιουργώντας ένα θεωρητικό μοντέλο που όχι μόνο υπόσχεται, αλλά και αποδεικνύει τη δυνατότητα μιας τέτοιας τεχνολογικής επανάστασης.
Η υπόσχεση της κβαντικής τεχνολογίας και η σκληρή πραγματικότητα
Η ιδέα της κβαντικής μπαταρίας υπάρχει εδώ και πολλά χρόνια. Θεωρητικά, ακούγεται υπέροχη: χρησιμοποιώντας τους παράξενους νόμους του κβαντικού κόσμου, όπως η σύμπλεξη, είναι δυνατό να δημιουργηθούν συσκευές αποθήκευσης ενέργειας που φορτίζονται εκθετικά ταχύτερα από τις συμβατικές μπαταρίες. Φανταστείτε ότι αντί για τη αργή «μεταφορά» ενέργειας από την επαφή στην μπαταρία, θα μπορούσατε να τη μεταφέρετε αμέσως . Ακούγεται δελεαστικό, έτσι δεν είναι;
Όμως, όπως συμβαίνει συχνά στην επιστήμη, μεταξύ της όμορφης θεωρίας και του πραγματικού αποτελέσματος υπάρχει ένα τεράστιο χάσμα. Για πολύ καιρό, όλα τα προτεινόμενα μοντέλα ήταν απλώς μαθηματικές ασκήσεις. Ήταν είτε τόσο περίπλοκα που ήταν αδύνατο να επαληθευτούν, είτε, μετά από προσεκτικότερη εξέταση, δεν παρουσίαζαν κανένα πραγματικό «κβαντικό πλεονέκτημα». Δηλαδή, στα χαρτιά ήταν κβαντικά, αλλά στην πράξη δεν λειτουργούσαν καλύτερα από την παλιά καλή μπαταρία ιόντων λιθίου .
Όταν η πολυπλοκότητα είναι εχθρός της προόδου
Ένα από τα πιο ελπιδοφόρα, αλλά και πιο ογκώδη μοντέλα ήταν το λεγόμενο μοντέλο Sachdeva-Ye-Kitaev ( SYK ). Περιέγραφε ένα σύστημα με τεράστιο αριθμό αλληλεπιδρώντων σωματιδίων και, σε υπολογιστική προσομοίωση, έδειχνε πράγματι μια απίστευτη αύξηση της ισχύος φόρτισης. Το πρόβλημα; Αυτό το μοντέλο ήταν ένα πραγματικό θεωρητικό τέρας – τόσο περίπλοκο που ήταν σχεδόν αδύνατο να αποδειχθεί αναλυτικά, δηλαδή με τη βοήθεια μαθηματικών τύπων, το πλεονέκτημά του. Και η δημιουργία μιας τέτοιας συσκευής σε εργαστηριακές συνθήκες ξεπερνούσε τις σύγχρονες δυνατότητες.
Η επιστήμη είχε φτάσει σε ένα είδος αδιεξόδου: ξέραμε ότι κάπου εκεί, στα βάθη της κβαντικής μηχανικής, κρυβόταν το κλειδί για την υπερταχεία φόρτιση, αλλά όλοι οι δρόμοι προς αυτό αποδείχθηκαν πολύ δύσβατοι.
Η ιδιοφυΐα είναι απλή; Δύο περιοχές και ένα μυστικό.
Ακριβώς εδώ, η ομάδα του Ερευνητικού Πανεπιστημίου PSL και του Πανεπιστημίου της Πίζας αποφάσισε να ακολουθήσει έναν άλλο δρόμο. Αντί να περιπλέξουν τα πράγματα, αποφάσισαν να τα απλοποιήσουν. Το μοντέλο τους, με την πρώτη ματιά, είναι γελοία απλό .
Φανταστείτε δύο κούνιες. Η μία είναι ο «φορτιστής» και η άλλη η «μπαταρία». Στον συνηθισμένο κόσμο, για να κουνήσετε τη δεύτερη κούνια, πρέπει να την σπρώξετε την κατάλληλη στιγμή. Η ενέργεια θα μεταδοθεί, αλλά αρκετά αργά και με προβλέψιμο τρόπο. Αυτή είναι η κλασική μπαταρία.
Τώρα ας προσθέσουμε λίγη κβαντική μαγεία. Οι επιστήμονες πρότειναν να συνδέσουν αυτά τα δύο «εκκρεμή» (στο μοντέλο τους είναι αρμονικοί ταλαντωτές) με έναν ειδικό, μη αρμονικό τρόπο. Σαν δύο άνθρωποι που κουνιούνται στην ίδια κούνια, ενεργούν σε τέλεια, υπερφυσική συγχρονία, χρησιμοποιώντας κάποιο μυστικό τέχνασμα για να μεταδώσουν αμέσως όλη την ενέργεια.
Αυτό το «μυστικό κόλπο» είναι η κβαντική σύμπλεξη . Κατά τη διάρκεια αυτής της σύμπλεξης, το σύστημα αποκτά πρόσβαση σε μη κλασικές καταστάσεις. Τα σωματίδια του «φορτιστή» και της «μπαταρίας» συνδέονται με ένα αόρατο νήμα, το οποίο δημιουργεί ένα είδος «σύντομης διαδρομής» για την ενέργεια. Είναι σαν τηλεμεταφορά ή μυστική κίνηση σε ένα βιντεοπαιχνίδι, που επιτρέπει την άμεση μετακίνηση από το ένα σημείο στο άλλο, παρακάμπτοντας ένα μακρύ ταξίδι. Η κλασική φυσική απλά δεν γνωρίζει τέτοιες «συντομεύσεις».
Η θεωρία είναι, φυσικά, καλή, αλλά τι γίνεται με τις αποδείξεις;
Το πιο σημαντικό στη νέα εργασία είναι ότι δεν πρόκειται απλώς για μια ακόμη όμορφη ιδέα. Για πρώτη φορά, οι ερευνητές κατάφεραν να αποδείξουν πειστικά την υπεροχή της. Πώς το κατάφεραν;
Αρχικά, συνέκριναν το κβαντικό μοντέλο τους με το ακριβές κλασικό αντίστοιχο του — την ίδια κούνια, που κουνιόταν με τον συνήθη τρόπο. Το αποτέλεσμα ήταν εκπληκτικό: η κβαντική έκδοση φορτίζονταν πολύ πιο γρήγορα.
Δεύτερον, και αυτό είναι το πιο σημαντικό, έδειξαν ότι το μοντέλο τους φτάνει στο λεγόμενο κβαντικό όριο ταχύτητας. Πρόκειται για ένα θεμελιώδες όριο που καθορίζεται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής και καθορίζει την ταχύτητα οποιουδήποτε κβαντικού συστήματος. Με απλά λόγια, η μπαταρία τους δεν είναι απλώς γρήγορη — είναι θεωρητικά η γρηγορότερη δυνατή. Είναι σαν να δημιουργείς έναν κινητήρα που όχι μόνο ξεπερνά τους ανταγωνιστές του, αλλά και φτάνει το απόλυτο όριο ταχύτητας που υπαγορεύουν οι νόμοι του σύμπαντος.
Τι θα ακολουθήσει; Από τις φόρμουλες στο μέταλλο
Φυσικά, δεν πρέπει να περιμένουμε την εμφάνιση κβαντικών μπαταριών στα smartphone μας τα επόμενα χρόνια. Προς το παρόν, πρόκειται μόνο για ένα κομψό θεωρητικό μοντέλο. Το επόμενο βήμα είναι να το υλοποιήσουμε σε μια πραγματική συσκευή. Οι ίδιοι οι συγγραφείς υποθέτουν ότι για το σκοπό αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπεραγωγικά ηλεκτρικά κυκλώματα — μικροσκοπικά κυκλώματα που χάνουν την ηλεκτρική αντίσταση σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και αρχίζουν να εμφανίζουν κβαντικές ιδιότητες .
Η εργασία των Ιταλών και Γάλλων φυσικών δεν είναι απλώς ένα ακόμη άρθρο σε επιστημονικό περιοδικό. Είναι ένας φάρος που δείχνει το δρόμο για ολόκληρο τον τομέα. Αποδεικνύει ότι το πραγματικό κβαντικό πλεονέκτημα στη μεταφορά ενέργειας είναι εφικτό, και μάλιστα σε ένα σχετικά απλό και κατανοητό σύστημα.
Δεν πρόκειται απλώς για έναν αγώνα για τον ταχύτερο τρόπο φόρτισης. Αυτά είναι τα πρώτα σίγουρα βήματα προς τον έλεγχο της ενέργειας στο πιο θεμελιώδες επίπεδο της πραγματικότητας. Και ποιος ξέρει, ίσως χάρη σε αυτή την έρευνα, οι απόγονοί μας θα εκπλαγούν όταν ακούσουν ιστορίες για το πώς κρατούσαμε τις συσκευές μας συνδεδεμένες στο δίκτυο για ώρες.
