Учёные CSIRO создали первую квантовую батарею

Австралийские исследователи совершили прорыв в области энергетических технологий, создав первый в мире прототип квантовой батареи, способной заряжаться, хранить и отдавать энергию. Разработка, представленная учёными из национального научного агентства CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), а также университетов Мельбурна и RMIT, открывает путь к созданию источников питания будущего, которые могут заряжаться практически мгновенно и беспроводным способом .

История вопроса: от теории к практике

Концепция квантового аккумулятора впервые была изложена в статье 2013 года. Ведущий исследователь CSIRO доктор Джеймс Куач начал работу над практической реализацией этой идеи в 2018 году. Уже в 2022 году, работая с коллегами из Великобритании и Италии, ему удалось создать первый прототип, который продемонстрировал уникальное свойство квантовых батарей — способность заряжаться быстрее при увеличении размеров. Однако тот прототип мог только принимать заряд, но не имел возможности его извлекать .

Нынешнее достижение, опубликованное в журнале Light: Science & Applications, стало решающим шагом вперёд. В новое устройство были добавлены специальные слои, преобразующие захваченную энергию в электрический ток. Это первый прототип, который выполняет полный цикл работы батареи: зарядку, хранение и разрядку энергии .

Устройство и принцип работы

В основе прототипа лежит органическая микрополость (microcavity) — сложная многослойная структура, напоминающая «сэндвич» из различных материалов. Тонкий слой органического материала заключён между двумя зеркалами, находящимися на расстоянии микрометров друг от друга. Внутри этого микроскопического пространства фотоны света многократно отражаются и взаимодействуют с органическими молекулами, что позволяет возникать коллективным квантовым эффектам .

Зарядка батареи происходит беспроводным способом с помощью лазера. Используемые органические красители аналогичны тем, что применяются в OLED-экранах смартфонов. Ключевой механизм — квантовый эффект «суперпоглощения»: вся система захватывает энергию света в одном коллективном «глотке», а не поэлементно, как в обычных батареях .

Главный научный прорыв: «чем больше, тем быстрее»

Самое удивительное и контринтуитивное свойство, которое учёным удалось доказать экспериментально, — это так называемая «сверхэкстенсивная» зарядка. В отличие от традиционных аккумуляторов, где время зарядки растёт с увеличением ёмкости, квантовая батарея демонстрирует противоположный эффект.

Вот как это описывает доктор Джеймс Куач: «Представьте, что ваша квантовая батарея имеет N накопительных элементов, и каждый элемент заряжается за одну секунду. Благодаря коллективному эффекту, если все элементы заряжаются одновременно, каждому элементу потребуется всего 1/√N секунды для зарядки. Это означает, что чем больше квантовая батарея, тем меньше времени потребуется для зарядки» .

Для наглядности: если увеличить размер устройства вдвое (N=2), время зарядки сократится чуть более чем наполовину (1/1.41 ≈ 0.7 секунды). При стократном увеличении количества молекул (N=100) зарядка ускорится в десять раз .

Это работает благодаря «коллективным квантовым эффектам»: молекулы внутри батареи действуют не по отдельности, а как единая квантовая система, позволяя им поглощать энергию одновременно и согласованно. Будто каждый элемент «знает» о присутствии других, и их присутствие заставляет элемент заряжаться быстрее .

Впечатляющие результаты экспериментов

В ходе испытаний прототип продемонстрировал поразительные показатели:

• Время зарядки: фемтосекунды (квадриллионные доли секунды, 10⁻¹⁵ с) .
• Время хранения заряда: наносекунды (миллиардные доли секунды, 10⁻⁹ с) .

Разница между временем зарядки и временем хранения составляет шесть порядков — в миллион раз. Для понимания масштаба: это сравнимо с батареей, которая заряжается за одну минуту, а затем сохраняет заряд в течение нескольких лет .

Современные ограничения: почему их нет в смартфонах

Несмотря на прорыв, до появления квантовых батарей в бытовых устройствах ещё очень далеко. У текущего прототипа есть два ключевых ограничения:

1. Микроскопическая ёмкость: объём запасённой энергии крайне мал — всего несколько миллиардов электрон-вольт. Для сравнения: одна обычная пальчиковая батарейка AA хранит примерно на десять порядков больше энергии. Энергии прототипа недостаточно даже для питания самого простого устройства. По образному выражению, 5 миллиардов электрон-вольт — это примерно 1/200 000 энергии летящего комара .
2. Короткое время хранения: батарея способна удерживать заряд лишь несколько наносекунд. Квантовые состояния, обеспечивающие работу, крайне чувствительны к внешнему «шуму» — тепловому движению, электромагнитным полям, вибрациям. Учёные называют это явление «декогеренцией» .

Перспективы применения

Исследователи видят несколько направлений для будущего использования технологии:

• Питание квантовых устройств: квантовые батареи могут стать идеальным решением для питания квантовых компьютеров. Эти машины работают в тех же временных и энергетических масштабах (наносекунды) и крайне чувствительны к электромагнитным помехам, которые создаёт классическая электроника. Квантовая батарея могла бы подавать энергию синхронно с ритмом квантовых вычислений .
• Беспроводная зарядка на ходу: технология позволит заряжать дроны во время полёта или электромобили без необходимости останавливаться. «Моя главная амбиция — будущее, где мы сможем заряжать электромобили гораздо быстрее, чем машины на бензине, или заряжать устройства на больших расстояниях беспроводным способом», — делится планами Джеймс Куач .
• Мгновенная зарядка портативных устройств: в отдалённой перспективе смартфоны с квантовыми аккумуляторами смогут заряжаться практически мгновенно .

Текущие задачи и поиск партнёров

Следующая задача учёных — увеличить время удержания заряда и масштабировать технологию. Исследователи надеются создать гибридную конструкцию, которая сочетала бы исключительную скорость зарядки квантовой батареи с длительным временем хранения классической .

CSIRO уже ищет партнёров для создания коммерчески жизнеспособного образца — среди венчурных инвесторов, компаний, развивающих глубокие квантовые технологии, и производителей электромобилей .

Историческая параллель

Доктор Куач проводит вдохновляющую параллель: «Первый полёт братьев Райт длился всего несколько секунд, но положил начало современной авиации. Наш прототип хранит заряд наносекунды. Прогресс требует времени — но квантовые батареи определённо на нашем горизонте» .

От лабораторного прототипа до повседневного использования — путь может занять годы. Но первый шаг сделан: квантовые батареи перешли из области теории в плоскость практической реализации, открывая новую эру в технологиях накопления энергии.