Ya sea fotovoltaica o fusión, tarde o temprano, la civilización humana debe recurrir a las energías renovables. Esto se considera inevitable, considerando las demandas energéticas cada vez mayores de la humanidad y la naturaleza finita de los combustibles fósiles. Se han llevado a cabo muchas investigaciones para desarrollar fuentes alternativas de energía, la mayoría de las cuales utilizan la electricidad como principal vector de energía. La extensa I+D en energías renovables ha ido acompañada de cambios sociales graduales a medida que el mundo adoptaba nuevos productos y dispositivos que funcionan con energías renovables. El cambio más llamativo ha sido la rápida adopción de los vehículos eléctricos. Si bien rara vez se veían en las carreteras incluso hace 10 años, ahora se venden millones de autos eléctricos anualmente. El mercado de los coches eléctricos es uno de los sectores de más rápido crecimiento.

A diferencia de los automóviles tradicionales, que obtienen energía de la combustión de combustibles de hidrocarburos, los vehículos eléctricos dependen de las baterías como medio de almacenamiento de su energía. Durante mucho tiempo, las baterías tenían una densidad energética muy inferior a la que ofrecían los hidrocarburos, lo que daba como resultado unas autonomías muy bajas de los primeros vehículos eléctricos. Sin embargo, la mejora gradual en las tecnologías de las baterías finalmente permitió que los rangos de manejo de los autos eléctricos estuvieran dentro de niveles aceptables en comparación con los autos que queman gasolina. No es una subestimación que la mejora en la tecnología de almacenamiento de baterías fue uno de los principales cuellos de botella técnicos que tuvieron que resolverse para poner en marcha la actual revolución de los vehículos eléctricos.

Sin embargo, a pesar de las grandes mejoras en la tecnología de las baterías, los consumidores actuales de vehículos eléctricos enfrentan otra dificultad:la velocidad lenta de carga de la batería. Actualmente, los coches tardan unas 10 horas en recargarse completamente en casa. Incluso los supercargadores más rápidos en las estaciones de carga requieren de 20 a 40 minutos para recargar completamente los vehículos. Esto genera costos adicionales e inconvenientes para los clientes.

Para abordar este problema, los científicos buscaron respuestas en el campo de la física cuántica. Su búsqueda ha llevado al descubrimiento de que las tecnologías cuánticas pueden prometer nuevos mecanismos para cargar baterías a un ritmo más rápido. La tecnología de batería cuántica se propuso por primera vez en un artículo seminal publicado por Alicki y Fannes en 2012. Se teorizó que los recursos cuánticos, como el enredo, se pueden usar para acelerar enormemente el proceso de carga de la batería al cargar todas las celdas dentro de la batería simultáneamente en un forma colectiva.

Esto es particularmente emocionante, ya que las baterías modernas de alta capacidad pueden contener numerosas celdas. Tal carga colectiva no es posible en las baterías clásicas, donde las celdas se cargan en paralelo independientemente unas de otras. La ventaja de esta carga colectiva frente a la paralela se puede medir mediante la relación denominada ventaja de carga cuántica. Alrededor de 2017, los investigadores notaron que puede haber dos fuentes posibles detrás de esta ventaja cuántica, a saber, la operación global (en la que todas las células hablan con todas las demás simultáneamente, es decir, "todas sentadas en una mesa") y el acoplamiento de todos a todos ( es decir, "muchas discusiones, pero cada discusión tiene solo dos participantes"). Sin embargo, no está claro si ambas fuentes son necesarias y si existen límites para la velocidad de carga que se puede lograr.

Recientemente, científicos del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) exploraron más a fondo estas preguntas. El artículo, que fue elegido como sugerencia de los editores en la revista Physical Review Letters , demostró que el acoplamiento de todos a todos es irrelevante en las baterías cuánticas y que la presencia de operaciones globales es el único ingrediente de la ventaja cuántica. El grupo fue más allá para identificar la fuente exacta de esta ventaja mientras descartaba cualquier otra posibilidad e incluso proporcionó una forma explícita de diseñar tales baterías.

Además, el grupo pudo cuantificar con precisión cuánta velocidad de carga se puede lograr en este esquema. Si bien la velocidad de carga máxima aumenta linealmente con la cantidad de celdas en las baterías clásicas, el estudio mostró que las baterías cuánticas que emplean una operación global pueden lograr una escala cuadrática en la velocidad de carga. Para ilustrar esto, considere un vehículo eléctrico típico con una batería que contiene alrededor de 200 celdas. Emplear esta carga cuántica daría lugar a una aceleración de 200 veces con respecto a las baterías clásicas, lo que significa que el tiempo de carga en el hogar se reduciría de 10 horas a unos 3 minutos. En las estaciones de carga de alta velocidad, el tiempo de carga se reduciría de 30 minutos a unos segundos.

Los investigadores dicen que las consecuencias son de gran alcance y que las implicaciones de la carga cuántica pueden ir mucho más allá de los automóviles eléctricos y la electrónica de consumo. For example, it may find key uses in future fusion power plants, which require large amounts of energy to be charged and discharged in an instant. Of course, quantum technologies are still in their infancy and there is a long way to go before these methods can be implemented in practice. Research findings such as these, however, create a promising direction and can incentivize the funding agencies and businesses to further invest in these technologies. + Explora más

Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries