สรุปโดยย่อ
- นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียสร้างต้นแบบแบตเตอรี่ควอนตัมที่ใช้งานได้เป็นครั้งแรก
- แบตเตอรี่ควอนตัมชาร์จเร็วขึ้นเมื่อขยายขนาด ซึ่งขัดกับข้อจำกัดของคลาสสิก
- ความก้าวหน้านี้อาจเป็นพลังงานให้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต แต่ยังไม่ใช่อุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค
โทรศัพท์ของคุณชาร์จเต็มในหนึ่งชั่วโมง รถยนต์ไฟฟ้าของคุณใช้เวลาทั้งคืน การแลกเปลี่ยนนี้—ความจุมากขึ้นหมายถึงการรอคอยนานขึ้น—เป็นสิ่งที่ฝังอยู่ในวิธีการทำงานของแบตเตอรี่จนไม่มีใครสงสัยอีกต่อไป นักวิจัยชาวออสเตรเลียกลุ่มหนึ่งเพิ่งสร้างสิ่งที่ทำลายกฎนั้นอย่างสิ้นเชิง
นักวิจัยจาก CSIRO ซึ่งเป็นหน่วยงานวิทยาศาสตร์แห่งชาติของออสเตรเลีย ร่วมกับทีมจาก RMIT University และ University of Melbourne ได้เปิดตัวต้นแบบแบตเตอรี่ควอนตัมที่ใช้งานได้เป็นครั้งแรกของโลก
นี่คืออุปกรณ์ทางกายภาพที่ชาร์จ เก็บพลังงาน และปล่อยพลังงานออกมา—โดยใช้กฎของฟิสิกส์ควอนตัมแทนเคมี ผลการวิจัยของพวกเขาถูกเผยแพร่เมื่อวันพุธในวารสาร Nature Light: Science & Applications
ต้นแบบเป็นแผ่นเวเฟอร์ขนาดเล็กที่ประกอบด้วยวัสดุอินทรีย์ เช่น แซนด์วิชขนาดนาโนที่ชาร์จแบบไร้สายด้วยพัลส์เลเซอร์ ซึ่งพัลส์นี้ใช้เวลาเป็นเฟมโตวินาที หนึ่งเฟมโตวินาทีเท่ากับหนึ่งในพันล้านของวินาที อุปกรณ์นี้ชาร์จในช่วงเวลานั้น แล้วเก็บพลังงานไว้เป็นนาโนวินาที—นานกว่าที่ใช้ในการเติมเต็มถึงหกหลัก
ช่องว่างนี้อาจดูไม่น่าประทับใจจนกว่าจะขยายขนาดออก “ถ้าเราสามารถชาร์จแบตเตอรี่ในหนึ่งนาที มันจะคงอยู่ได้นานเป็นสองปี” นักวิจัยนำ James Quach อธิบาย ฟิสิกส์ก็ทำงานไปแล้ว ความท้าทายตอนนี้คือการขยายระยะเวลาที่พลังงานเก็บไว้ในอุปกรณ์จริง
ส่วนที่แปลกประหลาดอย่างแท้จริงไม่ใช่ความเร็ว แต่เป็นพฤติกรรมการขยายขนาด
แบตเตอรี่แบบดั้งเดิมจะชาร์จช้าลงเมื่อขยายขนาดขึ้น ความจุมากขึ้นหมายถึงเวลานานขึ้น แต่แบตเตอรี่ควอนตัมทำตรงกันข้าม ยิ่งโมเลกุลถูกบรรจุเข้าไปในอุปกรณ์มากเท่าไร แต่ละโมเลกุลก็จะชาร์จเร็วขึ้นเท่านั้น—เพราะในระดับควอนตัม พวกมันไม่ได้ทำงานเป็นอิสระ แต่ทำงานร่วมกัน แบ่งปันพลังงานที่เข้ามาในชุดเดียวกันในพัลส์ที่นักวิจัยเรียกว่า “ซูเปอร์แอ็บซอร์ปชัน”
ในเชิงเทคนิค นักวิจัยกล่าวว่าระยะเวลาในการชาร์จลดลงเป็น 1/√N ซึ่ง N คือจำนวนโมเลกุล ถ้าเพิ่มแบตเตอรี่เป็นสองเท่า ก็จะลดเวลาชาร์จเกือบครึ่งหนึ่ง และต่อไปเรื่อยๆ
“ผลการค้นพบของเรายืนยันปรากฏการณ์ควอนตัมพื้นฐานที่ขัดกับความเข้าใจทั่วไป: แบตเตอรี่ควอนตัมชาร์จเร็วขึ้นเมื่อขยายขนาดใหญ่ขึ้น” Quach กล่าวกับมหาวิทยาลัยเมลเบิร์น “แบตเตอรี่ในปัจจุบันไม่ได้ทำงานแบบนั้น”
คุณสมบัตินี้ถูกทำนายทางคณิตศาสตร์ตั้งแต่ปี 2013 และมีการแสดงตัวอย่างบางส่วนในปี 2022 สิ่งใหม่ที่นี่คือวงจรครบถ้วน: ทีมงานค้นพบวิธีดึงพลังงานที่เก็บไว้กลับมาเป็นกระแสไฟฟ้า ซึ่งไม่เคยมีการทดลองแบตเตอรี่ควอนตัมมาก่อน อุปกรณ์นี้ยังทำงานในอุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบเชิงปฏิบัติเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีซูเปอร์คอนดักติ้งจากจีนและสเปนที่ต้องการการทำความเย็นด้วยความเย็นจัด
การใช้งานในทันทีไม่ใช่รถยนต์ไฟฟ้าหรืออะไรทำนองนั้น ความจุรวมของต้นแบบวัดเป็นพันล้านของอีเล็กตรอนโวลต์—ยังไม่เพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับอะไรในโลกแห่งความเป็นจริง แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเรื่องราวที่แตกต่าง ระบบเหล่านี้กำลังพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็วเกินกว่าที่คาดไว้ และมีปัญหาเรื่องพลังงานเฉพาะตัว: สถานะควอนตัมที่อ่อนไหวของพวกมันต้องการพลังงานที่ส่งมอบอย่างสอดคล้องกัน โดยไม่มีเสียงรบกวนจากอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม แบตเตอรี่ควอนตัมชาร์จและปล่อยพลังงานโดยใช้ภาษาควอนตัมเดียวกันกับที่โปรเซสเซอร์เหล่านั้นใช้
“แบตเตอรี่ควอนตัมอาจให้พลังงานอย่างสอดคล้องกัน โดยมีต้นทุนพลังงานต่ำที่สุดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม” ศาสตราจารย์ Andrew White ซึ่งเป็นหัวหน้าห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีควอนตัมที่มหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ และไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัย กล่าวกับ The News Digital
CSIRO กำลังมองหาพันธมิตรด้านการพัฒนา รวมถึงผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าและนักลงทุนเทคโนโลยีลึก เพื่อผลักดันการวิจัยให้ก้าวหน้า ทฤษฎีมีความได้เปรียบด้านเวลามากกว่าฮาร์ดแวร์เป็นทศวรรษแล้ว ตอนนี้ฮาร์ดแวร์ก็เพิ่งตามทัน
