أول بطارية كم تعمل بنجاح تثبت أن الحجم الأكبر يعني فعلاً أسرع

باختصار

• قام علماء أستراليون ببناء أول نموذج أولي لبطارية كمومية تعمل بشكل فعلي.
• تشحن البطاريات الكمومية بشكل أسرع مع زيادة الحجم، متجاوزة الحدود الكلاسيكية.
• قد تمهد هذه الاختراقات الطريق لأجهزة كمبيوتر كمومية مستقبلية، لكنها ليست موجهة بعد للأجهزة الاستهلاكية.

يستغرق هاتفك ساعة للشحن. وسيارتك الكهربائية تحتاج طوال الليل. هذا التبادل—المزيد من السعة يعني انتظارًا أطول—متجذر في طريقة عمل البطاريات لدرجة أن لا أحد يشكك فيه حقًا بعد الآن. فريق من العلماء الأستراليين بنوا للتو شيئًا يكسر تلك القاعدة تمامًا. كشف باحثون في CSIRO، الوكالة العلمية الوطنية الأسترالية، بالتعاون مع فرق من جامعة RMIT وجامعة ملبورن، عن أول نموذج أولي لبطارية كمومية تعمل في العالم. هذا جهاز مادي فعلي يشحن ويخزن الطاقة ويطلقها—باستخدام قوانين الفيزياء الكمومية بدلاً من الكيمياء. نُشرت نتائجهم يوم الأربعاء في مجلة Nature Light: Science & Applications. النموذج الأولي هو رقاقة صغيرة متعددة الطبقات من مواد عضوية تشبه ساندويتش نانوي يتم شحنه لاسلكيًا بواسطة نبضة ليزر. تدوم تلك النبضة في الفيمتوثانية. الفيمتوثانية تساوي ربليليون من الثانية. يُشحن الجهاز خلال تلك الفترة، ثم يحتفظ بالطاقة لنانوثانية—أي حوالي ستة أوامر من حيث الحجم أطول مما استغرقه التعبئة.

يبدو أن تلك الفجوة غير مثيرة للإعجاب حتى تقوم بتوسيعها. “إذا استطعنا شحن بطارية في دقيقة واحدة، فستظل مشحونة لمدة عامين تقريبًا،” شرح الباحث الرئيسي جيمس كواش. الفيزياء تعمل بالفعل. التحدي الآن هو تمديد مدة بقاء الطاقة المخزنة في جهاز حقيقي. الجزء الغريب حقًا ليس السرعة بل سلوك التوسع. البطاريات التقليدية تصبح أبطأ في الشحن مع زيادة الحجم. المزيد من السعة يعني وقتًا أطول، لكن البطاريات الكمومية تفعل العكس. كلما زادت الجزيئات في الجهاز، زادت سرعة شحن كل واحدة منها—لأنها على المستوى الكمومي، لا تتصرف بشكل فردي. فهي تتصرف بشكل جماعي، وتشارك الطاقة الواردة في دفعة منسقة واحدة يسميها الباحثون “الامتصاص الفائق.”

تقنيًا، يقول الباحثون إن زمن الشحن ينخفض بمقدار 1/√N، حيث N هو عدد الجزيئات. ضع ضعف البطارية، وقلل زمن الشحن تقريبًا إلى النصف، وهكذا. “تؤكد نتائجنا على تأثير كمومي أساسي يتعارض تمامًا مع الحدس: البطاريات الكمومية تشحن بشكل أسرع مع زيادة حجمها،” قال كواش لجامعة ملبورن. “بطاريات اليوم لا تعمل بهذه الطريقة.”  كان من المتوقع نظريًا منذ عام 2013، وتم عرض نسخة جزئية منها في 2022. الجديد هنا هو الدورة الكاملة: تمكن الفريق من سحب الطاقة المخزنة مرة أخرى كمصدر تيار كهربائي، وهو أمر لم ينجح فيه أي تجربة لبطارية كمومية من قبل. كما أن الجهاز يعمل في درجة حرارة الغرفة—ميزة عملية مقارنة مع طرق التوصيل الفائق من الصين وإسبانيا التي تتطلب تبريدًا بالتبخير. الاستخدام الفوري ليس سيارتك الكهربائية أو شيء من هذا القبيل. السعة الإجمالية للنموذج الأولي تُقاس في أجزاء من المليارات من الإلكترون فولت—وهي غير كافية لتشغيل شيء في العالم الحقيقي بعد. لكن الحواسيب الكمومية قصة مختلفة. تلك الأنظمة تتقدم بسرعة أكبر مما توقع الكثيرون، ولديها مشكلة طاقة محددة: حالاتها الكمومية الحساسة تتطلب طاقة تُنقل بشكل متماسك، بدون الضوضاء التي تسببه الإلكترونيات التقليدية. تشحن وتفرغ البطارية الكمومية باستخدام نفس اللغة الكمومية التي تتحدث بها تلك المعالجات. “يمكن للبطاريات الكمومية أن توفر الطاقة بشكل متماسك، مع أقل تكلفة طاقة للحواسيب الكمومية،” قال البروفيسور أندرو وايت، الذي يقود مختبر التكنولوجيا الكمومية في جامعة كوينزلاند ولم يشارك في البحث، لـ The News Digital. تسعى CSIRO بالفعل إلى شركاء تطوير، بما في ذلك مصنعي السيارات الكهربائية والمستثمرين في التكنولوجيا العميقة، لدفع البحث قدمًا. كانت النظرية تتقدم على الأجهزة بعقد من الزمن. والأجهزة الآن فقط تواكب.