Carregamento quase instantâneo: protótipo de bateria quântica abre caminho

Há momentos em que o azar aparece na pior altura: já está à porta, atrasado para uma reunião importante, e percebe que o telemóvel ficou sem bateria.

E se pudesse recarregá-lo quase de imediato, recorrendo às regras estranhas da física quântica? É essa a promessa das baterias quânticas.

Os meus colegas e eu, na CSIRO, desenvolvemos os primeiros protótipos de bateria quântica do mundo - e a direção que esta tecnologia seguiu acabou por ser surpreendente.

Efeitos quânticos coletivos

Talvez já tenha ouvido falar dos curiosos efeitos quânticos de superposição e entrelaçamento, que permitem que objetos minúsculos se comportem de forma muito invulgar. Estes fenómenos também podem ajudar os computadores quânticos a resolver problemas que os computadores convencionais não conseguem.

Uma característica estranha do mundo quântico são os chamados "efeitos coletivos". São eles que dão às baterias quânticas as suas propriedades únicas.

Nas condições certas, as unidades de armazenamento de uma bateria quântica não agem de forma independente, mas comportam-se em conjunto. Numa inversão contraintuitiva, isso significa que carregam mais depressa em grupo do que carregariam separadamente.

Imaginemos que a sua bateria quântica tem N unidades de armazenamento, e que cada unidade demora um segundo a carregar. Os efeitos coletivos significam que, se todas as unidades forem carregadas ao mesmo tempo, cada uma demora apenas 1∕√N segundos a carregar.

Isto quer dizer que, quanto maior for a bateria quântica, menos tempo demora a carregar. Se duplicar de tamanho, o carregamento demora pouco mais de metade do tempo.

É como se cada unidade soubesse, de alguma forma, que existem outras à sua volta, e essa presença a fizesse carregar mais depressa. Estranho, não é?

Isto é radicalmente diferente do que acontece nas baterias convencionais, em que as maiores costumam demorar mais tempo a carregar. É por isso que o seu telemóvel pode precisar de uma hora, enquanto um carro elétrico fica ligado durante a noite inteira.

Construir uma bateria quântica

Durante muito tempo, a ideia de uma bateria quântica foi apenas uma curiosidade teórica. Mas, em 2018, decidi avançar para demonstrar que elas podiam mesmo ser construídas.

Em 2022, em colaboração com colegas do Reino Unido e de Itália, construímos um protótipo de bateria quântica usando uma microcavidade orgânica - uma espécie de sanduíche minúscula e complexa, feita de várias camadas de materiais diferentes, que aprisiona a luz de uma forma particular.

E conseguimos mostrar, pela primeira vez, o comportamento exótico segundo o qual baterias quânticas maiores demoram realmente menos tempo a carregar.

De facto, conseguimos demonstrar que o tempo de carregamento diminui como 1∕√N, sendo N o número de moléculas na nossa bateria. Quanto mais moléculas incluíamos, mais depressa a bateria carregava - exatamente como a teoria previa.

Uma limitação deste primeiro protótipo era não ter uma forma de extrair a energia dele. Para resolver isso, no nosso estudo mais recente, publicado na revista Light: Science & Applications, acrescentámos camadas extra ao dispositivo que transformam a energia em corrente elétrica. Isto representa um passo importante rumo a uma bateria quântica prática.

Ainda há caminho a percorrer

Então, porque é que ainda não vemos baterias quânticas à venda nas lojas?

Bem, a capacidade das baterias quânticas continua a ser muito pequena (alguns mil milhões de eletrões-volts), e o tempo durante o qual mantêm a carga é muito curto (apenas alguns nanossegundos). Por isso, por agora, são demasiado pequenas para alimentar dispositivos convencionais, como o telemóvel.

Mas as baterias quânticas podem ser ideais para alimentar dispositivos quânticos, como os computadores quânticos. Na verdade, podem ser precisamente a solução de que os computadores quânticos precisam para funcionar em maior escala e se tornarem práticos.

Embora ainda não tenhamos baterias quânticas prontas para uso, estamos a trabalhar em formas de aumentar o tamanho do protótipo e prolongar o tempo de retenção da carga. Esperamos criar um design híbrido que combine a velocidade excecional de carregamento da bateria quântica com o longo tempo de armazenamento de uma bateria clássica.

O progresso que fizemos é um testemunho de um século de trabalho teórico realizado antes de nós por cientistas da física quântica.

O tempo de carga do nosso primeiro protótipo durou nanossegundos. O primeiro voo dos irmãos Wright durou um pouco mais. O progresso leva tempo - mas as baterias quânticas estão, sem dúvida, no nosso horizonte.

James Quach, Science Leader, Quantum Batteries Team, CSIRO

Este artigo é republicado do The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.