Protótipo de bateria quântica abre caminho para carregamento quase instantâneo.

Chega atrasado a uma reunião importante. No momento em que está a sair de casa, dá-se conta de que o telemóvel ficou sem bateria.

Agora imagine que o poderia carregar quase de imediato, tirando partido das regras pouco intuitivas da física quântica. É precisamente essa a ambição das baterias quânticas.

Na CSIRO, eu e os meus colegas desenvolvemos os primeiros protótipos de bateria quântica do mundo - e o rumo que esta tecnologia tem vindo a tomar tem sido, para muitos, inesperado.

Efeitos quânticos coletivos nas baterias quânticas

Provavelmente já ouviu falar de fenómenos quânticos peculiares como a superposição e o emaranhamento, que permitem que objetos, geralmente muito pequenos, exibam comportamentos fora do comum. São também estes efeitos que podem permitir que computadores quânticos resolvam tarefas que os computadores convencionais não conseguem.

Há, no entanto, outra característica estranha do mundo quântico que se revela crucial aqui: os chamados “efeitos coletivos”. São eles que conferem às baterias quânticas propriedades únicas.

Em condições adequadas, as unidades de armazenamento de uma bateria quântica deixam de se comportar como elementos independentes e passam a funcionar de forma coletiva. Num resultado contraintuitivo, isto faz com que as unidades carreguem mais depressa em conjunto do que carregariam se estivessem isoladas.

Suponha que a sua bateria quântica tem N unidades de armazenamento e que, individualmente, cada uma demoraria 1 segundo a carregar. Com efeitos coletivos, se todas as unidades forem carregadas ao mesmo tempo, cada unidade passa a precisar apenas de 1/√N segundos.

Na prática, isto significa que quanto maior for a bateria quântica, menor pode ser o tempo de carregamento. Se duplicar o tamanho, o tempo necessário para carregar aumenta apenas um pouco acima de metade.

É como se cada unidade “percebesse” a presença das outras e essa proximidade acelerasse o carregamento. Estranho? É mesmo.

Este comportamento contrasta fortemente com o das baterias convencionais, nas quais, em geral, baterias maiores tendem a demorar mais tempo a carregar. É uma das razões pelas quais um telemóvel pode demorar cerca de uma hora a carregar, enquanto um carro elétrico pode precisar de uma noite inteira.

Como construímos uma bateria quântica

Durante muito tempo, a bateria quântica foi sobretudo uma ideia interessante no plano teórico. Contudo, em 2018, decidi avançar com o objetivo de mostrar que não era apenas uma curiosidade matemática - era algo que podia ser construído.

Em 2022, em colaboração com colegas do Reino Unido e de Itália, criámos um protótipo de bateria quântica baseado numa microcavidade orgânica - uma estrutura minúscula e complexa, com várias camadas de materiais diferentes, semelhante a uma “sanduíche” multicamada, concebida para aprisionar luz de uma forma muito específica.

Foi com esse dispositivo que conseguimos observar, pela primeira vez, o comportamento exótico em que baterias quânticas maiores realmente demoram menos tempo a carregar.

Mais concretamente, demonstrámos que o tempo de carregamento diminuía segundo a relação 1/√N, sendo N o número de moléculas na nossa bateria. Ou seja: quanto mais moléculas incluíamos, mais rapidamente a bateria carregava - exatamente como a teoria antecipava.

Do armazenamento à extração: um passo decisivo

Havia, porém, uma limitação importante nesse primeiro protótipo: não existia um mecanismo para extrair a energia armazenada.

Para resolver isso, no nosso estudo mais recente, publicado na revista Luz: Ciência e Aplicações, acrescentámos camadas adicionais ao dispositivo, capazes de converter a energia armazenada num corrente elétrica. Este avanço representa um passo significativo no caminho para uma bateria quântica com utilidade prática.

Um aspeto essencial daqui para a frente será otimizar o compromisso entre a rapidez do carregamento coletivo e a estabilidade do estado quântico: materiais, arquitetura do dispositivo e controlo fino das interações que permitem os efeitos coletivos serão determinantes para tornar a tecnologia mais robusta.

Ainda falta caminho para chegar às lojas

Então, porque não encontramos baterias quânticas à venda?

A resposta é simples: apesar do progresso, a capacidade das baterias quânticas continua a ser muito reduzida (da ordem de alguns milhares de milhões de eletrão-volts), e o tempo durante o qual conseguem manter a carga é extremamente curto (apenas alguns nanossegundos). Isto significa que, pelo menos por agora, são pequenas demais para alimentar dispositivos convencionais como um telemóvel.

Por outro lado, as baterias quânticas podem ser ideais para alimentar dispositivos quânticos, como os próprios computadores quânticos. Na verdade, é possível que uma bateria quântica seja exatamente o tipo de solução de que os computadores quânticos precisam para funcionar a escalas maiores e se tornarem verdadeiramente práticos.

Embora ainda não tenhamos baterias quânticas utilizáveis no dia a dia, estamos a trabalhar em duas frentes: aumentar a dimensão do protótipo e prolongar o tempo durante o qual consegue reter a carga. O nosso objetivo é chegar a um desenho híbrido que una a velocidade de carregamento excecional de uma bateria quântica com o longo tempo de armazenamento de uma bateria clássica.

Também será importante, à medida que a tecnologia amadurecer, pensar em integração com eletrónica existente, repetibilidade de fabrico e critérios de segurança e fiabilidade - aspetos que, em tecnologias de energia, costumam definir a passagem do laboratório para produtos comerciais.

Os avanços alcançados até aqui são, em grande medida, fruto de um século de trabalho teórico realizado pelos cientistas quânticos que nos antecederam.

No nosso primeiro protótipo, a carga da bateria durava nanossegundos. O primeiro voo dos irmãos Wright durou um pouco mais. A evolução leva tempo - mas as baterias quânticas estão, sem dúvida, no nosso horizonte.

James Quach, Líder Científico, Equipa de Baterias Quânticas, CSIRO

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