Les batteries quantiques bousculent les règles du temps pour une meilleure performance

Les batteries quantiques bousculent les règles du temps pour une meilleure performance

En physique subatomique, les batteries quantiques émergent comme une technologie prometteuse, surpassant les capacités des batteries chimiques conventionnelles dans certaines applications à faible consommation d’énergie. Ainsi, des chercheurs japonais exploitent un processus quantique pour améliorer les performances de ces batteries, rapprochant ainsi cette technologie futuriste de la réalité.

Les batteries quantiques : au-delà des ordinateurs quantiques

Le terme « quantique » évoque souvent les avancées dans le domaine des ordinateurs quantiques. Cependant, d’autres technologies quantiques méritent notre attention. Parmi elles, les batteries quantiques, qui malgré leur nom énigmatique, recèlent un potentiel inexploité pour des solutions énergétiques durables et une possible intégration dans les futurs véhicules électriques. Ces nouveaux dispositifs sont prêts à être utilisés dans diverses applications portables et à faible consommation d’énergie, en particulier lorsque les occasions de recharge sont rares.

De la théorie à la pratique : le défi des batteries quantiques

Actuellement, les batteries quantiques n’existent qu’à l’état d’expériences de laboratoire. Des chercheurs du monde entier travaillent sur différents aspects qui, espérons-le, se combineront un jour pour donner naissance à une application pratique et fonctionnelle.

Yuanbo Chen, étudiant en doctorat, et le professeur associé 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. C’est ici que le temps entre en jeu.

Bien qu’il soit encore un peu plus gros que la pile AA que vous pouvez trouver chez vous, l’appareil expérimental agissant comme une pile quantique a démontré des caractéristiques de charge qui pourraient un jour améliorer la pile de votre smartphone. Crédit : ©2023 Chen et al.

Le rôle du temps dans le chargement des batteries quantiques

« Les batteries actuelles pour les appareils à faible consommation d’énergie, comme les smartphones ou les capteurs, utilisent généralement des produits chimiques comme le lithium pour stocker la charge, tandis qu’une batterie quantique utilise des particules microscopiques comme des réseaux d’atomes », a expliqué Yuanbo Chen.

« Alors que les batteries chimiques sont régies par les lois classiques de la physique, les particules microscopiques sont de nature quantique, nous avons donc la possibilité d’explorer des moyens de les utiliser qui défient ou même brisent nos notions intuitives de ce qui se passe à petite échelle. Je m’intéresse particulièrement à la façon dont les particules quantiques peuvent travailler pour violer l’une de nos expériences les plus fondamentales, celle du temps. »

L’ordre causal indéfini : une nouvelle approche

En collaboration avec le chercheur Gaoyan Zhu et le professeur Peng Xue du Beijing Computational Science Research Center, 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.

La méthode qu’ils ont utilisée nécessitait toutefois un effet quantique où les événements ne sont pas causalement connectés de la manière dont les choses de tous les jours le sont. Ils ont utilisé un effet quantique qu’ils appellent l’ordre causal indéfini, ou OCI.

Dans le domaine classique, la causalité suit un chemin clair, c’est-à-dire que si l’événement A conduit à l’événement B, alors la possibilité que B cause A est exclue. Cependant, à l’échelle quantique, l’OCI permet aux deux directions de causalité d’exister dans ce qu’on appelle une superposition quantique, où les deux peuvent être simultanément vraies.

L’intuition commune suggère qu’un chargeur plus puissant se traduit par une batterie avec une charge plus forte. Cependant, la découverte issue d’ICO introduit un renversement remarquable dans cette relation ; il devient désormais possible de charger une batterie plus énergique avec beaucoup moins d’énergie. Crédit : ©2023 Chen et al.

L’impact de l’OCI sur les performances des batteries quantiques

« Avec l’OCI, nous avons démontré que la façon dont vous chargez une batterie composée de particules quantiques pourrait avoir un impact drastique sur ses performances », a ajouté Yuanbo Chen.

« Nous avons constaté d’énormes gains à la fois dans l’énergie stockée dans le système et l’efficacité thermique. Et de manière quelque peu contre-intuitive, nous avons découvert l’effet surprenant d’une interaction qui est l’inverse de ce que vous pourriez attendre : un chargeur de moindre puissance pourrait fournir des énergies plus élevées avec une plus grande efficacité qu’un chargeur de puissance comparativement plus élevée utilisant le même appareil. »

En synthèse

Le phénomène de l’OCI que l’équipe a exploré pourrait trouver des utilisations au-delà de la charge d’une nouvelle génération de dispositifs à faible consommation d’énergie. Les principes sous-jacents, y compris l’effet d’interaction inverse découvert ici, pourraient améliorer les performances d’autres tâches impliquant la thermodynamique ou des processus qui impliquent le transfert de chaleur.

Un exemple prometteur est celui des panneaux solaires, où les effets de la chaleur peuvent réduire leur efficacité, mais l’OCI pourrait être utilisé pour atténuer ces effets et conduire à des gains d’efficacité à la place.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une batterie quantique ?

Une batterie quantique est un dispositif qui utilise des particules microscopiques, comme des réseaux d’atomes, pour stocker de l’énergie. Contrairement aux batteries chimiques, les batteries quantiques sont régies par les lois de la physique quantique.

Qu’est-ce que l’ordre causal indéfini (OCI) ?

L’OCI est un effet quantique qui permet aux deux directions de causalité d’exister simultanément dans une superposition quantique. Cela signifie que si l’événement A conduit à l’événement B, la possibilité que B cause A n’est pas exclue à l’échelle quantique.

Comment l’OCI peut-il améliorer les performances des batteries quantiques ?

En utilisant l’OCI pour charger une batterie quantique, les chercheurs ont constaté d’énormes gains à la fois dans l’énergie stockée dans le système et l’efficacité thermique. De plus, ils ont découvert que, de manière contre-intuitive, un chargeur de moindre puissance pourrait fournir des énergies plus élevées avec une plus grande efficacité qu’un chargeur de puissance comparativement plus élevée.

Quelles sont les applications potentielles de l’OCI au-delà des batteries quantiques ?

L’OCI pourrait être utilisé pour améliorer les performances d’autres tâches impliquant la thermodynamique ou des processus qui impliquent le transfert de chaleur. Par exemple, il pourrait être utilisé pour atténuer les effets de la chaleur sur les panneaux solaires et ainsi augmenter leur efficacité.

Quels sont les défis à relever pour la mise en pratique des batteries quantiques ?

Les batteries quantiques n’existent actuellement qu’à l’état d’expériences de laboratoire. Les chercheurs du monde entier travaillent sur différents aspects qui, espérons-le, se combineront un jour pour donner naissance à une application pratique et fonctionnelle.

Références

Légende illustration principale : Dans le monde classique, si vous essayez de charger une batterie à l’aide de deux chargeurs, vous devez le faire dans l’ordre, ce qui limite les options disponibles à seulement deux ordres possibles. Toutefois, l’exploitation du nouvel effet quantique appelé ICO permet de charger des batteries quantiques d’une manière tout à fait inhabituelle. Ici, plusieurs chargeurs disposés dans des ordres différents peuvent exister simultanément, formant une superposition quantique. Crédit : ©2023 Chen et al.

Gaoyan Zhu, Yuanbo Chen, Yoshihiko Hasegawa, and Peng Xue, “Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment,” Physical Review Letters: December 13, 2023, doi:10.1103/PhysRevLett.131.240401. (Publication)

[ Rédaction ]

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