21 مارس 2022 -توسط موسسه علوم پایه
تصویری از خودروی الکتریکی امروزی در مقابل خودروی آینده بر اساس فناوری‌های باتری کوانتومی. استفاده از شارژ کوانتومی منجر به 200 برابر افزایش سرعت در یک خودروی برقی معمولی می شود، به این معنی که زمان شارژ از 10 ساعت به حدود 3 دقیقه (در خانه) یا 30 دقیقه تا 9 ثانیه در ایستگاه شارژ کاهش می یابد.
چه فتوولتائیک باشد و چه فیوژن، دیر یا زود، تمدن بشری باید به انرژی های تجدیدپذیر روی آورد. با توجه به نیازهای روزافزون انرژی بشر و طبیعت متناهی سوخت های فسیلی، این امر اجتناب ناپذیر تلقی می شود. تحقیقات زیادی به منظور توسعه منابع جایگزین انرژی که اکثر آنها از برق به عنوان حامل اصلی انرژی استفاده می کنند، دنبال شده است. تحقیق و توسعه گسترده در انرژی‌های تجدیدپذیر با تغییرات تدریجی اجتماعی همراه شده است، زیرا جهان محصولات و دستگاه‌های جدیدی را که بر روی انرژی‌های تجدیدپذیر کار می‌کنند، پذیرفته است. بارزترین تغییر، پذیرش سریع خودروهای الکتریکی بوده است. در حالی که حتی 10 سال پیش به ندرت در جاده ها دیده می شد، اکنون سالانه میلیون ها خودروی برقی به فروش می رسد. بازار خودروهای الکتریکی یکی از بخش هایی است که به سرعت در حال رشد است.
برخلاف خودروهای سنتی که انرژی را از احتراق سوخت‌های هیدروکربنی دریافت می‌کنند، خودروهای الکتریکی به باتری‌ها به‌عنوان وسیله ذخیره‌سازی انرژی خود متکی هستند. برای مدت طولانی، باتری‌ها چگالی انرژی بسیار کمتری نسبت به هیدروکربن‌ها داشتند که منجر به برد بسیار کم خودروهای الکتریکی اولیه شد. با این حال، پیشرفت تدریجی در فناوری باتری در نهایت باعث شد که محدوده حرکتی خودروهای الکتریکی در مقایسه با خودروهای بنزین سوز در حد قابل قبولی باشد. دست کم نمی‌گیریم که بهبود فناوری ذخیره‌سازی باتری یکی از گلوگاه‌های فنی اصلی بود که باید برای شروع انقلاب فعلی خودروهای الکتریکی حل می‌شد.
با این حال، علیرغم پیشرفت‌های گسترده در فناوری باتری، مصرف‌کنندگان امروزی خودروهای الکتریکی با مشکل دیگری روبرو هستند: سرعت پایین شارژ باتری. در حال حاضر، شارژ خودروها در خانه حدود 10 ساعت طول می کشد. حتی سریع‌ترین سوپرشارژرها در ایستگاه‌های شارژ به ۲۰ تا ۴۰ دقیقه برای شارژ کامل وسایل نقلیه نیاز دارند. این باعث ایجاد هزینه های اضافی و ناراحتی برای مشتریان می شود.
برای رفع این مشکل، دانشمندان به دنبال پاسخ هایی در زمینه فیزیک کوانتومی بودند. جستجوی آنها به این کشف منجر شد که فناوری‌های کوانتومی ممکن است نوید مکانیسم‌های جدیدی را برای شارژ باتری‌ها با سرعت بیشتری بدهد. فناوری باتری کوانتومی برای اولین بار در مقاله ای اساسی که توسط Alicki و Fannes در سال 2012 منتشر شد، ارائه شد. این نظریه مطرح شد که منابع کوانتومی، مانند درهم تنیدگی، می توانند برای سرعت بخشیدن به فرآیند شارژ باتری با شارژ همزمان تمام سلول های درون باتری به طور همزمان در یک باتری مورد استفاده قرار گیرند.
این امر هیجان انگیز است، زیرا باتری های مدرن و با ظرفیت بالا می توانند سلول های متعددی داشته باشند. چنین شارژ جمعی در باتری های کلاسیک امکان پذیر نیست، جایی که سلول ها به طور موازی مستقل از یکدیگر شارژ می شوند. مزیت این شارژ جمعی در مقابل شارژ موازی را می توان با نسبتی به نام مزیت شارژ کوانتومی اندازه گیری کرد. در حدود سال 2017، محققان متوجه شدند که می‌تواند دو منبع احتمالی در پشت این مزیت کوانتومی وجود داشته باشد.
اخیراً دانشمندان مرکز فیزیک نظری سیستم‌های پیچیده در مؤسسه علوم پایه (IBS) این سؤالات را بیشتر بررسی کردند. این مقاله که به عنوان پیشنهاد ویراستاران در مجله Physical Review Letters انتخاب شد، نشان داد که جفت شدن همه به همه در باتری‌های کوانتومی بی‌ربط است و وجود عملیات جمعی تنها عنصر مزیت کوانتومی است. این گروه فراتر رفت تا منبع دقیق این مزیت را مشخص کند و در عین حال هرگونه احتمال دیگری را رد کرد و حتی راهی صریح برای طراحی چنین باتری هایی ارائه کرد.
علاوه بر این، این گروه توانست به طور دقیق مقدار سرعت شارژ را در این طرح به دست آورد. در حالی که حداکثر سرعت شارژ به صورت خطی با تعداد سلول‌های باتری‌های کلاسیک افزایش می‌یابد، این مطالعه نشان داد که باتری‌های کوانتومی با استفاده از عملیات جمعی می‌توانند به مقیاس درجه دوم در سرعت شارژ دست یابند. برای نشان دادن این موضوع، یک وسیله نقلیه الکتریکی معمولی با باتری حاوی حدود 200 سلول را در نظر بگیرید. استفاده از این شارژ کوانتومی منجر به افزایش سرعت 200 برابری نسبت به باتری های کلاسیک می شود، به این معنی که زمان شارژ در خانه از 10 ساعت به حدود 3 دقیقه کاهش می یابد. در ایستگاه های شارژ پرسرعت، زمان شارژ از 30 دقیقه به mer کاهش می یابد.
