نموذج أولي لبطارية كمومية يمكن شحنها خلال ثوان

لقد تأخرت على موعدك الهام بالفعل، وبينما تستعد لمغادرة منزلك في اللحظات الأخيرة، تكتشف أن بطارية هاتفك قد نفدت تمامًا.

تخيل لو كان بإمكانك شحن هاتفك في ثوانٍ معدودة، مستفيدًا من القوانين الغريبة التي تحكم عالم الفيزياء الكمومية. هذه هي الفكرة التي تقوم عليها البطاريات الكمومية.

لقد طورنا في هيئة البحوث العلمية والصناعية الأسترالية أول نماذج أولية لبطاريات كمومية في العالم، والمثير أن المسار الذي سلكته هذه التقنية حتى الآن جاء على نحو غير متوقع.

التأثيرات الكمومية الجماعية

ربما سمعت من قبل عن ظاهرتي التراكب والتشابك الكمومي، وهما من أغرب ما يكشفه لنا العالم الكمومي، إذ تتيحان لجسيمات متناهية الصغر أن تتصرف بطرق غير مألوفة تمامًا. وتُعدان من الأسس التي قد تُمكن الحواسيب الكمومية من حل مسائل يعجز عنها الحاسوب التقليدي.

من الخصائص اللافتة في هذا العالم الكمومي ما يُعرف بالتأثيرات الجماعية، التي تمنح البطاريات الكمومية خصائصها الفريدة.

في الظروف المناسبة، لا تعمل وحدات التخزين داخل البطارية الكمومية منفصلةً، بل تتصرف بوصفها منظومة واحدة مترابطة. المفارقة هنا أن هذه الوحدات، عند عملها جماعيًا، قد تُشحن بسرعة أكبر مما لو كانت كل وحدة تُشحن على حدة.

لنفترض أن بطاريتك الكمومية تتكون من عدد N من وحدات التخزين، وأن شحن كل وحدة على حدة يستغرق ثانية واحدة. في هذه الحالة، فإن التأثيرات الجماعية تعني عند شحن جميع الوحدات معًا في الوقت نفسه، فإن الزمن اللازم لشحن كل وحدة ينخفض إلى 1∕√N  ثانية فقط.

هذا يعني أن زيادة حجم البطارية الكمومية تؤدي -على غير المتوقع- إلى تقليل زمن الشحن. فلو تضاعف عدد الوحدات، فلن يتضاعف زمن الشحن، بل سينخفض إلى ما يزيد قليلًا على نصف الزمن الأصلي.

كأن كل وحدة تدرك وجود الوحدات الأخرى من حولها، فيؤدي هذا الترابط إلى تسريع عملية الشحن.

هذا يختلف جذريًا عن البطاريات التقليدية، إذ تستغرق البطاريات الأكبر حجمًا وقتًا أطول للشحن. لهذا قد يحتاج هاتفك المحمول إلى نحو ساعة ليُشحن، في حين تتطلب السيارة الكهربائية عدة ساعات -ربما ليلة كاملة- لإعادة شحنها.

بناء بطارية كمومية

ظلت فكرة البطارية الكمومية فترةً طويلة مجرد طرح نظري مثير للاهتمام. لكن عام 2018، بدأتُ العمل على إثبات إمكانية تحقيقها عمليًا.

عام 2022، بالتعاون مع باحثين في المملكة المتحدة وإيطاليا، تمكنا من تطوير أول نموذج أولي لبطارية كمومية باستخدام تجويف ميكروي عضوي، وهو تركيب دقيق متعدد الطبقات من مواد مختلفة، يعمل على حبس الضوء والتحكم فيه بطريقة محددة.

للمرة الأولى، استطعنا رصد هذا السلوك غير المألوف تجريبيًا، إذ تبين أن البطاريات الكمومية الأكبر حجمًا يمكن بالفعل شحنها في زمن أقل.

في الواقع، تمكنا من إثبات أن زمن الشحن يتناقص وفق العلاقة 1∕√N ، إذ يمثل N عدد الوحدات داخل البطارية. وبعبارة أخرى، كلما زاد عدد الوحدات، تسارع شحن البطارية، بما يتوافق تمامًا مع التنبؤات النظرية.

غير أن هذا النموذج الأولي لم يكن يوفر وسيلة لاستخراج الطاقة المخزنة منه. لتجاوز هذه المشكلة، أضفنا في دراستنا الأحدث -المنشورة في هذا البحث- طبقات إضافية إلى الجهاز، تعمل على تحويل الطاقة المخزنة إلى تيار كهربائي قابل للاستخدام.

يمثل هذا التطور خطوة مهمة نحو بناء بطاريات كمومية عملية للاستخدام.

طريق طويل من التطوير

لماذا لا نرى البطاريات الكمومية في الأسواق حتى الآن؟ تكمن المشكلة في أن سعتها ما تزال محدودة للغاية، في حدود بضعة مليارات إلكترون-فولت. أيضًا فإن مدة احتفاظها بالشحنة قصيرة جدًا، لا تتجاوز بضع نانوثانية.

من ثم فهي غير قادرة على تشغيل الأجهزة التقليدية مثل الهواتف المحمولة، على الأقل حتى الآن.

لكن قد تكون البطاريات الكمومية مثالية لتشغيل الأجهزة الكمومية، مثل الحواسيب الكمومية. بل إن هذه البطاريات قد تمثل الحل الذي تحتاج إليه الحواسيب الكمومية للعمل على نطاقات أكبر والتحول إلى تقنيات عملية قابلة للاستخدام.

مع أننا لم نصل بعد إلى بطاريات كمومية عملية، فإننا نعمل حاليًا على تطوير طرق لزيادة حجم نماذجنا الأولية وتحسين قدرتها على الاحتفاظ بالشحن فترات أطول. ونأمل في التوصل إلى تصميم هجين يجمع بين السرعة الفائقة في الشحن التي تميز البطاريات الكمومية، والقدرة على الاحتفاظ بالشحنة طويل الأمد التي توفرها البطاريات التقليدية.

التقدم الذي أحرزناه اليوم هو ثمرة قرن كامل من الأبحاث النظرية، أنجزه علماء الفيزياء الكمومية من قبلنا.

لقد استمر احتفاظ النموذج الأولي لدينا بالشحنة لبضع نانوثانية فقط، وهي مدة لا تكاد تُذكر، وإن كانت لا تختلف كثيرًا عن الرحلة الأولى للأخوين رايت، التي لم تستغرق سوى ثوانٍ معدودة. فالتقدم يحتاج إلى وقت.

ومع ذلك، فإن البطاريات الكمومية لم تعد فكرة بعيدة، بل أصبحت أفقًا واقعيًا يلوح في المستقبل القريب.

كاتب المقال: جيمس كواتش، قائد فريق أبحاث البطاريات الكمومية، هيئة البحوث العلمية والصناعية الأسترالية.