Wat zijn kwantumbatterijen?

Kwantumbatterijen gebruiken de principes van kwantummechanica, dus kwantumtoestanden en verschijnselen zoals superpositie en verstrengeling, om energie op te slaan. Dit zou een veel hogere energiedichtheid en ongelooflijk snelle oplaadtijden mogelijk kunnen maken.

Kwantumbatterijen zijn gebaseerd op twee belangrijke kwantumprincipes: superpositie en verstrengeling. Door superpositie kunnen deeltjes zoals elektronen tegelijkertijd in meerdere toestanden of posities bestaan, een concept dat wordt gebruikt in kwantumbatterijen om mogelijk energie op een efficiëntere manier vast te houden en vrij te geven dan conventionele batterijen. Verstrengeling is een fenomeen waarbij deeltjes zodanig met elkaar verbonden raken dat de toestand van de een (ongeacht de afstand tot de ander) onmiddellijk de toestand van een ander kan beïnvloeden. In de context van kwantumbatterijen zou dit een gecoördineerd en snel laadproces voor de hele batterij mogelijk kunnen maken, omdat de toestand van alle betrokken deeltjes tegelijkertijd zou kunnen worden gemanipuleerd.

Praktische uitdagingen zijn onder meer het vinden van geschikte materialen die op betrouwbare wijze kwantumtoestanden gedurende lange perioden kunnen handhaven, het ontwikkelen van methoden om energie efficiënt in kwantumtoestanden te lezen en te schrijven, en het opschalen van de technologie van systemen op microscopisch of atomair niveau naar een praktische, bruikbare omvang.

Recente ontwikkelingen in de kwantumbatterijtechnologie zijn aangewakkerd door doorbraken in zowel de materiaalwetenschap als de kwantumfysica.

Een belangrijke vooruitgang is de ontwikkeling van nieuwe materialen die kwantumtoestanden met hoge coherentietijden kunnen handhaven, een cruciale factor voor de efficiëntie van kwantumbatterijen. Materialen zoals grafeen, bepaalde soorten halfgeleiders en speciaal ontworpen nanostructuren zijn veelbelovend gebleken in experimentele opstellingen. Deze materialen kunnen de delicate kwantumtoestanden behouden die nodig zijn voor superpositie en verstrengeling, waardoor mogelijk de energieopslag met hoge dichtheid en het snelle oplaadvermogen van kwantumbatterijen mogelijk worden gemaakt.

Een dieper begrip van kwantumcoherentie en verstrengeling heeft ook geleid tot meer geavanceerde ontwerpen van kwantumbatterijen. Onderzoekers hebben methoden ontdekt om de coherentietijd van kwantumtoestanden in deze materialen te verlengen, waardoor langere opslagtijden en efficiëntere energieterugwinningsprocessen mogelijk zijn. Bovendien hebben ontwikkelingen op het gebied van kwantumcontroletechnieken de nauwkeurigheid verbeterd waarmee kwantumtoestanden kunnen worden gemanipuleerd, wat essentieel is voor de oplaad- en ontlaadcycli.

Grafeen en gevangen ionen

Een opmerkelijke casestudy is de experimentele kwantumbatterij gemaakt van lagen grafeen, die het vermogen aantoonde om energie op te laden en te ontladen met behulp van kwantummechanische principes. Dit prototype demonstreerde het potentieel van het gebruik van kwantumsuperpositie om tegelijkertijd alle cellen in de batterij op te laden, wat leidde tot laadsnelheden die theoretisch die van traditionele batterijen met ordes van grootte zouden kunnen overtreffen.

Een ander voorbeeld betreft het gebruik van gevangen ionen (trapped ions) als energieopslageenheden in kwantumbatterijen. Onderzoekers hebben met succes het vermogen aangetoond om ionen op een zodanige manier te verstrengelen dat energie efficiënt onder hen kan worden verdeeld. Dat duidt op de mogelijkheid van ultrasnelle oplaadtijden vanwege de niet-lokale aard van kwantumverstrengeling.