Kuantum Pil Prototipi Neredeyse Anında Şarj Olanaklarının Önünü Açıyor

Kuantum fiziğinin tuhaf kurallarından yararlanarak telefonunuzu neredeyse anında şarj edebileceğinizi hayal edin. İşte kuantum pillerin vaat ettiği şey budur.

CSIRO’daki meslektaşlarım ve ben, dünyanın ilk kuantum pil prototiplerini geliştirdik – ve bu teknolojinin aldığı yön şaşırtıcı.

 

Toplu kuantum etkileri

Çoğunlukla çok küçük nesnelerin çok garip davranmasına neden olan süperpozisyon ve dolanıklık gibi tuhaf kuantum etkilerini duymuş olabilirsiniz. Bu etkiler, kuantum bilgisayarların geleneksel bilgisayarların çözemediği problemleri çözmesine de olanak sağlayabilir.

Kuantum dünyasının tuhaf özelliklerinden biri de “toplu etkiler” olarak adlandırılan olgudur. Kuantum pillerin benzersiz özelliklerini sağlayan da budur.

Uygun koşullar altında, kuantum pillerin depolama birimleri tek tek değil, toplu olarak hareket eder. Sezgilere aykırı bir şekilde, bu, birimlerin tek başlarına şarj olmalarına kıyasla birlikte daha hızlı şarj oldukları anlamına gelir.

Kuantum pilinizin N adet depolama birimi olduğunu ve her birimin şarj olmasının bir saniye sürdüğünü varsayalım. Toplu etkiler, tüm birimlerin aynı anda şarj edilmesi durumunda, her birimin şarj olmasının sadece 1∕√N saniye süreceği anlamına gelir.

Bu, kuantum piliniz ne kadar büyükse, şarj olması o kadar az zaman alacağı anlamına gelir. Boyutu iki katına çıkarsa, şarj süresi yarıdan biraz daha fazla olacaktır.

Sanki her birim, etrafında başka birimler olduğunu bir şekilde biliyor ve onların varlığı, birimin daha hızlı şarj olmasını sağlıyor. Garip, değil mi?

Bu, daha büyük pillerin genellikle şarj olması daha uzun süren geleneksel pillerin çalışma şeklinden kökten farklıdır. Bu yüzden cep telefonunuzu şarj etmek bir saat sürebilirken, elektrikli arabanızın şarj olması bütün gece sürer.

 

Kuantum pil yapımı

Kuantum pil fikri uzun süre sadece teorik bir merak konusu olarak kaldı. Ancak 2018'de, bunların gerçekten yapılabileceğini kanıtlamaya koyuldum.

2022'de, Birleşik Krallık ve İtalya'daki meslektaşlarımla birlikte, ışığı belirli bir şekilde hapseden, birkaç farklı malzemeden oluşan küçük, karmaşık, çok katmanlı bir sandviç türü olan organik mikro boşluk kullanarak bir kuantum pil prototipi yaptık.

Ve ilk kez, daha büyük kuantum pillerin şarj olmasının gerçekten daha az zaman aldığı bu egzotik davranışı gösterebildik.

Aslında, şarj süresinin 1∕√N oranında azaldığını kanıtlayabildik; burada N, pilimizdeki molekül sayısıydı. Ne kadar çok molekül eklediğimizde, pil o kadar hızlı şarj oldu — tam da teorinin öngördüğü gibi.

 

Bu ilk prototipte eksik olan tek şey, enerjiyi dışarıya aktarmanın bir yoluydu. Bunu yapmak için, Light: Science & Applications dergisinde yayınlanan son çalışmamızda, enerjiyi elektrik akımına dönüştüren ekstra katmanlar cihazımıza ekledik. Bu, pratik bir kuantum pil yolunda atılmış önemli bir adımdır.

 

Hala kat edilecek yol var

Peki, neden mağazalarda kuantum piller görmüyoruz?

Kuantum pillerin kapasitesi hala çok düşük (birkaç milyar elektronvolt) ve şarjlarını tutma süreleri çok kısa (birkaç nanosaniye). Bu, kuantum pillerin, en azından şimdilik, cep telefonunuz gibi geleneksel cihazlara güç sağlamak için çok küçük olduğu anlamına geliyor.

Ancak kuantum piller, kuantum bilgisayarlar gibi kuantum cihazlara güç sağlamak için mükemmel olabilir. Aslında, kuantum piller, kuantum bilgisayarların daha büyük ölçeklerde çalışması ve pratik hale gelmesi için ihtiyaç duyduğu tam da çözüm olabilir.

Henüz pratik kuantum pillerimiz olmasa da, şu anda prototipimizin boyutunu büyütmenin ve şarjını ne kadar süreyle tutabileceğini uzatmanın yollarını araştırıyoruz. Kuantum pilin olağanüstü şarj hızını klasik pilin uzun depolama süresiyle birleştiren bir hibrit tasarım yaratmayı umuyoruz.

Kaydettiğimiz ilerleme, bizden önceki kuantum bilimcilerin yüzyıllardır sürdürdüğü teorik çalışmaların bir kanıtıdır.

İlk prototipimizin pil şarjı nanosaniye kadar sürdü. Wright kardeşlerin ilk uçak uçuşu biraz daha uzun sürmüştü. İlerleme zaman alır – ancak kuantum piller kesinlikle ufukta görünüyor.

James Quach, Bilim Lideri, Kuantum Piller Ekibi, CSIRO