オーストラリアの科学研究チームは最近、量子力学の法則に従って「充電-エネルギー貯蔵-放電」の全プロセスを完了できる量子電池のプロトタイプを初めて作成したと発表した。これは、理論上の構想から実際のデバイスに至るまでの重要なマイルストーンと考えられています。この成果は、オーストラリアの国立科学研究機関であるCSIROの物理学者であるJames Quach氏のリーダーシップの下で完成し、ジャーナル「Light: Science & Applications」に掲載されました。研究チームはこれを「概念実証」ナノスケール電源ユニットと呼んでおり、量子電池が紙モデルから実際のデバイスに移行することを示すものである。
大きくなるにつれて急速充電が難しくなる従来の電池とは異なり、この量子電池はいわゆる「集合効果」を利用しています。つまり、複数の量子ユニット間の相乗効果により、ユニット数が増加したときにシステムがより高速な充電を実現できます。この一見直感に反するメカニズムは 10 年前に理論的に提案され、今回初めてハードウェア レベルで実験的に確認されました。
これまで、Quachi氏のチームは、量子ユニットが「集合的な方法」でエネルギーを共有できることを初期の研究で証明したが、エネルギーを貯蔵した後にどのように効果的に取り出すかが常に実用化に向けた重要な問題となっていた。新しいデバイスは、構造設計の観点からこの問題を解決し、蓄積された量子状態エネルギーの制御可能な再放出を実現し、その後の応用のための技術的基盤を築きます。
この実験では、量子電池はワイヤレス充電にレーザーを使用しており、完全な状態を完了するのにかかる時間はわずかフェムト秒、つまり 1 京分の 1 秒の時間です。さらに重要なのは、蓄積されたエネルギーをナノ秒単位で維持でき、その蓄積時間は充電時間よりも約 6 桁長いことです。研究者の類推によれば、この比率をマクロスケールに拡大すると、1分間充電して数年間電力を維持できるバッテリーに相当します。
現在、プロトタイプのデバイスの容量はわずか数十億電子ボルトであり、実際の電子デバイスに電力を供給するには程遠いです。クアハ氏は、現在の中心的な課題は、通信エレクトロニクスなどの実用的なシナリオで安定したエネルギー供給を達成するために、量子電池にエネルギーを保持できる時間を延長し続けることであると述べた。十分に長い時間スケールにわたってエネルギーの量子コヒーレンスを維持することは、エンジニアリングの前提条件です。
業界の専門家は、短期的に量子電池の最も有望な用途は、従来のリチウム電池を直接置き換えることではなく、量子コンピューターなどの最先端のデバイスに先駆けてサービスを提供することであると考えています。量子コンピューティング システムは、エネルギー供給の精度や乱れに非常に敏感であるため、「コヒーレントな」方法でエネルギーを供給できる電源は、ノイズを大幅に低減し、システムの安定性を向上させることが期待されています。
このプロジェクトには関与していないオーストラリアのクイーンズランド大学量子技術研究所のアンドリュー・ホワイト所長はメディアのインタビューで、この結果は「量子電池がもはや単なるアイデアではなく、実用的なプロトタイプになったことを非常に見事に示している」とコメントした。これにより、量子電池が抽象的な理論的議論から持続可能な最適化と工学的増幅の段階に移行できると彼は信じています。
長期的な観点から見ると、この実験は新しいクラスの超高速充電デバイスの可能性を示しており、将来的には高性能プロセッサなどの高度な電子システムに電力を供給したり、モバイルデバイスの長距離ワイヤレス充電を可能にしたりする可能性があります。クアハ氏は、将来のドローンや車両がタスクを実行する際、移動中に量子制御された光源を通じてエネルギーを補充できるようになると構想している。内蔵の量子電池は走行中にワイヤレスで「点灯」するため、エネルギー補充の速度と方法において従来の電源の限界を突破します。