Briser la causalité : le pouvoir révolutionnaire des batteries quantiques
il y a environ 11 jours
Une nouvelle façon de charger les batteries exploite la puissance de « l’ordre causal indéfini ».
Les batteries qui exploitent les phénomènes quantiques pour gagner, distribuer et stocker de l’énergie promettent de surpasser les capacités et l’utilité des batteries chimiques conventionnelles dans certaines applications à faible consommation. Pour la première fois, des chercheurs, dont ceux de l’Université de Tokyo, profitent d’un processus quantique peu intuitif qui ignore la notion conventionnelle de causalité pour améliorer les performances des batteries dites quantiques, rapprochant ainsi un peu plus cette future technologie de la réalité.
Batteries quantiques dans l’énergie durable
Lorsque vous entendez le mot « quantique », la physique régissant le monde subatomique, les développements des ordinateurs quantiques ont tendance à faire la une des journaux, mais il existe d’autres technologies quantiques à venir qui méritent qu’on s’y intéresse. L’un de ces éléments est la batterie quantique qui, bien que son nom soit initialement déroutant, recèle un potentiel inexploré pour des solutions énergétiques durables et une éventuelle intégration dans les futurs véhicules électriques. Néanmoins, ces nouveaux appareils sont sur le point d’être utilisés dans diverses applications portables et à faible consommation, en particulier lorsque les possibilités de recharge sont rares.
Dans le monde classique, si l’on tentait de charger une batterie à l’aide de deux chargeurs, il faudrait le faire dans l’ordre, limitant les options disponibles à seulement deux commandes possibles. Cependant, l’exploitation du nouvel effet quantique appelé ICO ouvre la possibilité de charger des batteries quantiques d’une manière nettement non conventionnelle. Ici, plusieurs chargeurs disposés dans des ordres différents peuvent exister simultanément, formant une superposition quantique. Crédit : ©2023 Chen et al.
Avancées de la recherche sur les batteries quantiques
À l’heure actuelle, les batteries quantiques n’existent que sous forme d’expériences en laboratoire, et des chercheurs du monde entier travaillent sur les différents aspects qui devraient un jour être combinés pour aboutir à une application pratique et pleinement fonctionnelle. L’étudiant diplômé Yuanbo Chen et le professeur agrégé Yoshihiko Hasegawa du Département d’ingénierie de l’information et de la communication de l’Université de Tokyo étudient la meilleure façon de charger une batterie quantique, et c’est là que le temps entre en jeu. L’un des avantages des batteries quantiques est qu’elles devraient être incroyablement efficaces, mais cela dépend de la manière dont elles sont chargées.
« Les batteries actuelles destinées aux appareils à faible consommation, tels que les smartphones ou les capteurs, utilisent généralement des produits chimiques tels que le lithium pour stocker la charge, alors qu’une batterie quantique utilise des particules microscopiques comme des réseaux d’atomes », a déclaré Chen. « Même si les batteries chimiques sont régies par les lois classiques de la physique, les particules microscopiques sont de nature quantique. Nous avons donc l’opportunité d’explorer des façons de les utiliser qui déforment, voire brisent nos notions intuitives de ce qui se passe à petite échelle. Je suis particulièrement intéressé par la manière dont les particules quantiques peuvent agir pour violer l’une de nos expériences les plus fondamentales, celle du temps.
Bien qu’il soit encore un peu plus gros que la pile AA que vous pourriez trouver dans la maison, l’appareil expérimental agissant comme une batterie quantique a démontré des caractéristiques de charge qui pourraient un jour améliorer la batterie de votre smartphone. Crédit : ©2023 Zhu et al.
Méthodes de chargement quantique
En collaboration avec le chercheur Gaoyan Zhu et le professeur Peng Xue du Centre de recherche en sciences informatiques de Pékin, l’équipe a expérimenté des moyens de charger une batterie quantique à l’aide d’appareils optiques tels que des lasers, des lentilles et des miroirs, mais la façon dont ils y sont parvenus a nécessité un effet quantique où les événements ne sont pas causalement liés comme le sont les choses de tous les jours. Les méthodes antérieures pour charger une batterie quantique impliquaient une série d’étapes de charge les unes après les autres. Cependant, ici, l’équipe a plutôt utilisé un nouvel effet quantique qu’elle appelle l’ordre causal indéfini, ou ICO. Dans le domaine classique, la causalité suit un chemin clair, ce qui signifie que si l’événement A mène à l’événement B, alors la possibilité que B provoque A est exclue. Cependant, à l’échelle quantique, ICO permet aux deux directions de causalité d’exister dans ce que l’on appelle une superposition quantique, où les deux peuvent être simultanément vraies.
L’intuition commune suggère qu’un chargeur plus puissant donne une batterie avec une charge plus forte. Cependant, la découverte issue de l’ICO introduit un renversement remarquable dans cette relation ; il devient désormais possible de charger une batterie plus énergétique avec beaucoup moins d’énergie. Crédit : ©2023 Chen et al.
Implications de la recherche sur les batteries quantiques
« Avec ICO, nous avons démontré que la façon dont vous chargez une batterie composée de particules quantiques pouvait avoir un impact considérable sur ses performances », a déclaré Chen. « Nous avons constaté d’énormes gains à la fois en termes d’énergie stockée dans le système et d’efficacité thermique. Et de manière quelque peu contre-intuitive, nous avons découvert l’effet surprenant d’une interaction qui est l’inverse de ce à quoi on pourrait s’attendre : un chargeur de faible puissance pourrait fournir des énergies plus élevées avec une plus grande efficacité qu’un chargeur de puissance comparable utilisant le même appareil.
Le phénomène ICO exploré par l’équipe pourrait trouver des utilisations au-delà du chargement d’une nouvelle génération d’appareils à faible consommation. Les principes sous-jacents, y compris l’effet d’interaction inverse découvert ici, pourraient améliorer la performance d’autres tâches impliquant la thermodynamique ou des processus impliquant le transfert de chaleur. Un exemple prometteur est celui des panneaux solaires, où les effets de la chaleur peuvent réduire leur efficacité, mais l’ICO pourrait être utilisée pour les atténuer et conduire à des gains d’efficacité.
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subventions nos 92265209 et 12025401). YH reconnaît le soutien de JSPS KAKENHI Grant Number JP22H03659. YC reconnaît le soutien de JST SPRING, Grant Number JPMJSP2108.
La source:Briser la causalité : le pouvoir révolutionnaire des batteries quantiques (issues.fr)
