Oavsett om det är solceller eller fusion, förr eller senare måste den mänskliga civilisationen vända sig till förnybar energi. Detta anses oundvikligt, med tanke på mänsklighetens ständigt växande energibehov och fossila bränslens ändliga natur. Mycket forskning har bedrivits för att utveckla alternativa energikällor, varav de flesta använder elektricitet som den huvudsakliga energibäraren. Den omfattande forskningen och utvecklingen inom förnybar energi har åtföljts av gradvisa samhällsförändringar i takt med att världen antagit nya produkter och enheter som körs på förnybara energikällor. Den mest slående förändringen har varit den snabba introduktionen av elfordon. Även om de sällan sågs på vägarna ens för 10 år sedan, säljs nu miljontals elbilar årligen. Elbilsmarknaden är en av de snabbast växande sektorerna.

Till skillnad från traditionella bilar, som får energi från förbränning av kolvätebränslen, är elfordon beroende av batterier som lagringsmedium för sin energi. Under lång tid hade batterier mycket lägre energitäthet än de som erbjuds av kolväten, vilket resulterade i mycket låga räckvidder för tidiga elfordon. Men en gradvis förbättring av batteritekniken gjorde det så småningom att elbilarnas drivräckvidden låg inom acceptabla nivåer i jämförelse med bensinförbrännande bilar. Det är ingen underdrift att förbättringen av batterilagringstekniken var en av de viktigaste tekniska flaskhalsarna som måste lösas för att kickstarta den nuvarande elfordonsrevolutionen.

Men trots de enorma förbättringarna inom batteriteknik, står dagens konsumenter av elfordon inför en annan svårighet:långsam batteriladdningshastighet. För närvarande tar bilar cirka 10 timmar att ladda helt hemma. Även de snabbaste kompressorerna vid laddstationerna kräver upp till 20 till 40 minuter för att ladda fordonen helt. Detta skapar extra kostnader och olägenheter för kunderna.

För att ta itu med detta problem letade forskare efter svar inom kvantfysikområdet. Deras sökande har lett till upptäckten att kvantteknik kan lova nya mekanismer för att ladda batterier i snabbare takt. Kvantbatteriteknologin föreslogs först i en nyskapande artikel publicerad av Alicki och Fannes 2012. Det var teorier om att kvantresurser, såsom intrassling, kan användas för att avsevärt påskynda batteriladdningsprocessen genom att ladda alla celler i batteriet samtidigt i en kollektivt sätt.

Detta är särskilt spännande, eftersom moderna batterier med hög kapacitet kan innehålla många celler. Sådan kollektiv laddning är inte möjlig i klassiska batterier, där cellerna laddas parallellt oberoende av varandra. Fördelen med denna kollektiva kontra parallellladdning kan mätas med förhållandet som kallas kvantladdningsfördelen. Runt 2017 märkte forskare att det kan finnas två möjliga källor bakom denna kvantfördel - nämligen global operation (där alla celler pratar med alla andra samtidigt, d.v.s. "alla sitter vid ett bord") och allt-till-alla-koppling ( d.v.s. "många diskussioner, men varje diskussion har bara två deltagare"). Det är dock oklart om båda dessa källor är nödvändiga och om det finns några gränser för laddningshastigheten som kan uppnås.

Nyligen undersökte forskare från Centrum för teoretisk fysik av komplexa system inom Institutet för grundläggande vetenskap (IBS) dessa frågor ytterligare. Uppsatsen, som valdes som ett redaktörsförslag i tidskriften Physical Review Letters , visade att allt-till-alla-koppling är irrelevant i kvantbatterier och att närvaron av global verksamhet är den enda ingrediensen i kvantfördelen. Gruppen gick vidare för att lokalisera den exakta källan till denna fördel samtidigt som de uteslöt alla andra möjligheter och gav till och med ett tydligt sätt att designa sådana batterier.

Dessutom kunde gruppen exakt kvantifiera hur mycket laddningshastighet som kan uppnås i detta schema. Medan den maximala laddningshastigheten ökar linjärt med antalet celler i klassiska batterier, visade studien att kvantbatterier som använder global drift kan uppnå kvadratisk skalning i laddningshastighet. För att illustrera detta, överväg ett typiskt elfordon med ett batteri som innehåller cirka 200 celler. Att använda denna kvantladdning skulle leda till en 200 gångers snabbare än klassiska batterier, vilket innebär att laddningstiden hemma skulle minska från 10 timmar till cirka 3 minuter. Vid höghastighetsladdningsstationer skulle laddningstiden minskas från 30 minuter till bara sekunder.

Forskare menar att konsekvenserna är långtgående och att konsekvenserna av kvantladdning kan gå långt bortom elbilar och hemelektronik. Till exempel kan den hitta viktiga användningsområden i framtida fusionskraftverk, som kräver stora mängder energi för att laddas och urladdas på ett ögonblick. Of course, quantum technologies are still in their infancy and there is a long way to go before these methods can be implemented in practice. Research findings such as these, however, create a promising direction and can incentivize the funding agencies and businesses to further invest in these technologies. + Utforska vidare

Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries