Che sia fotovoltaico o fusione, prima o poi la civiltà umana dovrà rivolgersi alle energie rinnovabili. Ciò è ritenuto inevitabile, considerando la domanda energetica sempre crescente dell'umanità e la natura limitata dei combustibili fossili. Molte ricerche sono state portate avanti al fine di sviluppare fonti di energia alternative, la maggior parte delle quali utilizza l'elettricità come principale vettore energetico. L'ampia ricerca e sviluppo nelle energie rinnovabili è stata accompagnata da graduali cambiamenti sociali quando il mondo ha adottato nuovi prodotti e dispositivi che funzionano con energie rinnovabili. Il cambiamento più sorprendente è stata la rapida adozione dei veicoli elettrici. Sebbene fossero stati visti raramente sulle strade anche 10 anni fa, ora milioni di auto elettriche vengono vendute ogni anno. Il mercato delle auto elettriche è uno dei settori in più rapida crescita.

A differenza delle auto tradizionali, che traggono energia dalla combustione di idrocarburi, i veicoli elettrici si basano sulle batterie come mezzo di stoccaggio per la loro energia. Per molto tempo, le batterie hanno avuto una densità di energia molto inferiore rispetto a quelle offerte dagli idrocarburi, il che ha portato a autonomia molto bassa dei primi veicoli elettrici. Tuttavia, il graduale miglioramento delle tecnologie delle batterie alla fine ha consentito alle gamme di guida delle auto elettriche di rientrare a livelli accettabili rispetto alle auto a benzina. Non è un eufemismo che il miglioramento della tecnologia di accumulo della batteria sia stato uno dei principali colli di bottiglia tecnici che dovevano essere risolti per dare il via all'attuale rivoluzione dei veicoli elettrici.

Tuttavia, nonostante i grandi miglioramenti nella tecnologia delle batterie, i consumatori odierni di veicoli elettrici devono affrontare un'altra difficoltà:la bassa velocità di ricarica della batteria. Attualmente, le auto impiegano circa 10 ore per ricaricarsi completamente a casa. Anche i compressori più veloci delle stazioni di ricarica richiedono dai 20 ai 40 minuti per ricaricare completamente i veicoli. Questo crea costi aggiuntivi e disagi per i clienti.

Per affrontare questo problema, gli scienziati hanno cercato risposte nel campo della fisica quantistica. La loro ricerca ha portato alla scoperta che le tecnologie quantistiche possono promettere nuovi meccanismi per caricare le batterie a una velocità maggiore. La tecnologia della batteria quantistica è stata proposta per la prima volta in un documento fondamentale pubblicato da Alicki e Fannes nel 2012. È stato teorizzato che le risorse quantistiche, come l'entanglement, possono essere utilizzate per accelerare notevolmente il processo di carica della batteria caricando tutte le celle all'interno della batteria contemporaneamente in un modo collettivo.

Ciò è particolarmente eccitante, poiché le moderne batterie ad alta capacità possono contenere numerose celle. Tale carica collettiva non è possibile nelle batterie classiche, dove le celle vengono caricate in parallelo indipendentemente l'una dall'altra. Il vantaggio di questa carica collettiva rispetto a quella parallela può essere misurato dal rapporto chiamato vantaggio di carica quantistica. Intorno al 2017, i ricercatori hanno notato che ci possono essere due possibili fonti dietro questo vantaggio quantistico:il funzionamento globale (in cui tutte le cellule parlano con tutte le altre contemporaneamente, cioè "tutte sedute a un tavolo") e l'accoppiamento totale ( cioè "molte discussioni, ma ogni discussione ha solo due partecipanti"). Tuttavia, non è chiaro se entrambe queste fonti siano necessarie e se ci siano dei limiti alla velocità di ricarica che può essere raggiunta.

Di recente, gli scienziati del Center for Theoretical Physics of Complex Systems all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) hanno ulteriormente esplorato queste domande. Il paper, che è stato scelto come Editors Suggestion nella rivista Physical Review Letters , ha mostrato che l'accoppiamento totale è irrilevante nelle batterie quantistiche e che la presenza di operazioni globali è l'unico ingrediente del vantaggio quantistico. Il gruppo è andato oltre per individuare l'esatta fonte di questo vantaggio escludendo qualsiasi altra possibilità e ha persino fornito un modo esplicito per progettare tali batterie.

Inoltre, il gruppo è stato in grado di quantificare con precisione quanta velocità di ricarica può essere raggiunta in questo schema. Mentre la velocità di carica massima aumenta linearmente con il numero di celle nelle batterie classiche, lo studio ha dimostrato che le batterie quantistiche che utilizzano il funzionamento globale possono ottenere un ridimensionamento quadratico della velocità di carica. Per illustrare questo, si consideri un tipico veicolo elettrico con una batteria che contiene circa 200 celle. L'impiego di questa ricarica quantistica porterebbe a un'accelerazione di 200 volte rispetto alle batterie classiche, il che significa che il tempo di ricarica a casa verrebbe ridotto da 10 ore a circa 3 minuti. Nelle stazioni di ricarica ad alta velocità, il tempo di ricarica verrebbe ridotto da 30 minuti a pochi secondi.

I ricercatori affermano che le conseguenze sono di vasta portata e che le implicazioni della ricarica quantistica possono andare ben oltre le auto elettriche e l'elettronica di consumo. Ad esempio, potrebbe trovare usi chiave nelle future centrali elettriche a fusione, che richiedono grandi quantità di energia per essere caricate e scaricate in un istante. Of course, quantum technologies are still in their infancy and there is a long way to go before these methods can be implemented in practice. Research findings such as these, however, create a promising direction and can incentivize the funding agencies and businesses to further invest in these technologies. + Esplora ulteriormente

Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries