Las baterías cuánticas se abren paso para almacenar energía

Las baterías que aprovechan los fenómenos cuánticos para obtener, distribuir y almacenar energía prometen superar las capacidades y utilidad de las baterías químicas convencionales en determinadas aplicaciones de baja potencia. Por primera vez, investigadores de la Universidad de Tokio aprovechan un proceso cuántico poco intuitivo que ignora la noción convencional de causalidad para mejorar el rendimiento de las llamadas baterías cuánticas, acercando un poco más esta tecnología del futuro a la realidad.

Cuando escuchas la palabra "cuántica", la física que gobierna el mundo subatómico, los avances en las computadoras cuánticas tienden a acaparar los titulares, pero hay otras tecnologías cuánticas futuras a las que vale la pena prestarles atención. Uno de esos elementos es la batería cuántica que, aunque inicialmente tiene un nombre desconcertante, tiene un potencial inexplorado para soluciones energéticas sostenibles y una posible integración en futuros vehículos eléctricos. Sin embargo, estos nuevos dispositivos están preparados para encontrar uso en diversas aplicaciones portátiles y de bajo consumo, especialmente cuando las oportunidades de recargar son escasas.

Experimentos de laboratorio

En la actualidad, las baterías cuánticas solo existen como experimentos de laboratorio, y investigadores de todo el mundo están trabajando en los diferentes aspectos que se espera que algún día se combinen en una aplicación práctica y plenamente funcional.

El estudiante de posgrado Yuanbo Chen y el profesor asociado Yoshihiko Hasegawa del Departamento de Ingeniería de la Información y las Comunicaciones de la Universidad de Tokio están investigando la mejor manera de cargar una batería cuántica, y aquí es donde entra en juego el tiempo. Una de las ventajas de las baterías cuánticas es que deberían ser increíblemente eficientes, pero eso depende de la forma en que se cargan.

"Las baterías actuales para dispositivos de baja potencia, como teléfonos inteligentes o sensores, normalmente utilizan productos químicos como el litio para almacenar carga, mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como conjuntos de átomos", dijo Chen.

"Si bien las baterías químicas se rigen por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que tenemos la oportunidad de explorar formas de usarlas que dobleguen o incluso rompan nuestras nociones intuitivas de lo que sucede a pequeña escala. Estoy particularmente interesado en la forma en que las partículas cuánticas pueden funcionar para violar una de nuestras experiencias más fundamentales, la del tiempo".

Carga de batería cuántica

En colaboración con el investigador Gaoyan Zhu y el profesor Peng Xue del Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Beijing, el equipo experimentó con formas de cargar una batería cuántica utilizando aparatos ópticos como láseres, lentes y espejos, pero la forma en que lo lograron requería un efecto cuántico donde los eventos no están causalmente conectados como lo están las cosas cotidianas.

Los métodos anteriores para cargar una batería cuántica implicaban una serie de etapas de carga una tras otra. Sin embargo, aquí, el equipo utilizó un nuevo efecto cuántico al que llaman orden causal indefinido, o ICO. En el ámbito clásico, la causalidad sigue un camino claro, lo que significa que si el evento A conduce al evento B, entonces se excluye la posibilidad de que B cause A.

Sin embargo, a escala cuántica, ICO permite que existan ambas direcciones de causalidad en lo que se conoce como superposición cuántica, donde ambas pueden ser simultáneamente verdaderas.

Rendimiento

"Con ICO, demostramos que la forma en que se carga una batería compuesta de partículas cuánticas podría afectar drásticamente su rendimiento", dijo Chen. “Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y de manera algo contraria a la intuición, descubrimos el efecto sorprendente de una interacción que es inversa a lo que se podría esperar: un cargador de menor potencia podría proporcionar energías más altas con mayor eficiencia que un cargador de potencia comparablemente mayor que utiliza el mismo aparato”.

El fenómeno de ICO que exploró el equipo podría encontrar usos más allá de cargar una nueva generación de dispositivos de bajo consumo. Los principios subyacentes, incluido el efecto de interacción inversa descubierto aquí, podrían mejorar el desempeño de otras tareas que involucran termodinámica o procesos que involucran la transferencia de calor. Un ejemplo prometedor son los paneles solares, donde los efectos del calor pueden reducir su eficiencia, pero el ICO podría usarse para mitigarlos y generar ganancias en eficiencia.