Las baterías basadas en la naturaleza ondulatoria de las partículas cargadas podrían revolucionar el almacenamiento de energía, acumulando potencialmente más energía a un ritmo más rápido de lo que las celdas electroquímicas convencionales podrían esperar lograr. Un nuevo protocolo desarrollado por un equipo de físicos de la Universidad Nacional Cheng Kung podría transformar los principios básicos de una batería cuántica de carga rápida en un sistema práctico, demostrando formas en que se puede utilizar la superposición de una batería para almacenar energía de forma rápida y eficiente.
Fundamental para la física cuántica es el principio de que todos los fragmentos de materia tienen una identidad ondulatoria que se extiende a través del espacio y el tiempo. Por muy contrario a nuestra experiencia de la realidad, estas ondas representan las propiedades de un objeto (ya sea un electrón, una molécula, un gato o un planeta entero) como un espectro de posibilidades denominado superposición.
En los últimos años, los investigadores se han preguntado si uno o más objetos en una superposición tienen algo en común con el caótico zumbido y rebote del material caliente en un motor. Aprovechar este fenómeno cuántico podría incluso proporcionar nuevas formas de transferir y retener energía. Es una buena idea en concepto, pero transformar la teoría detrás de los motores térmicos cuánticos en un dispositivo que funcione requiere identificar procesos adecuados que no desperdicien mucha energía.
Los investigadores evaluaron experimentalmente dos enfoques para utilizar la superposición de una partícula para cargar una batería cuántica hipotética y determinar si su estado difuso realmente está transfiriendo energía. En lugar de una batería real, el equipo simplemente utilizó un ion atrapado en un estado de superposición conocido como qubit, que puede ganar energía a medida que pasa a través de un espacio reflectante que limita los tipos de ondas que lo atraviesan.
Al enviar el ion a través de un dispositivo que dividía su onda en dos haces, el equipo comparó la capacidad de la batería para almacenar energía a medida que ondas separadas pasaban a través de múltiples puntos de entrada hacia una sola cavidad y luego hacia múltiples cavidades. No sólo descubrieron que la superposición del ion realmente puede permitir una carga eficiente, sino que descubrieron que el enfoque de ‘muchas puertas, una habitación’ inducía un efecto de interferencia que teóricamente podría conducir a lo que llaman un “fenómeno de carga perfecta”, que permite una conversión completa de energía almacenada para funcionar desde la batería cuántica en cualquier punto del proceso de carga. También demostraron que el proceso es escalable, y que el efecto de interferencia persiste incluso cuando se envía más de un qubit a través de la cavidad.
Al llevar a cabo el proceso en la plataforma IBM Quantum y el hardware cuántico de IonQ, el equipo demostró una prueba de concepto para su protocolo, mostrando que un sistema similar podría tener el potencial de ser una forma eficiente desde el punto de vista energético de cargar y extraer energía rápidamente de un sistema cuántico. Aunque un qubit puede simular la física fundamental, se necesitarán nuevos métodos para convertir el protocolo en algo más práctico y parecido a una batería, lo que significa que pasará un tiempo antes de que puedas recargar tu ciclomotor eléctrico en un abrir y cerrar de ojos.
Aún así, el experimento muestra que no hay nada en las leyes de la física que diga que no podamos explotar el panorama cuántico para el almacenamiento de energía de larga duración y carga rápida. A medida que el mundo se aleja de los combustibles fósiles y busca cada vez más formas de almacenar energía eléctrica generada a partir de recursos renovables, las baterías robustas que puedan absorber y retener rápidamente cantidades significativas de energía serán cada vez más importantes.
Esta investigación fue publicada en Physical Review Research.
Fuente: Science Alert.
