السببية هي مفتاح تجربتنا للواقع: على سبيل المثال، كسر الزجاج يؤدي إلى تحطمه، لذلك لا يمكن أن يكون قد تحطم قبل أن يتحطم. لكن في العالم الكمي، لا تنطبق هذه القواعد بالضرورة، وقد أظهر العلماء الآن كيفية استغلال هذه الغرابة لشحن بطارية كمومية.
بمعنى ما، البطاريات الكمومية مدفوعة بمفارقة. على الورق، تعمل عن طريق تخزين الطاقة في الحالات الكمومية للذرات والجزيئات - وبالطبع، بمجرد ذكر كلمة "الكم"، تعرف أن شيئًا غريبًا سيحدث. في هذه الحالة، وجدت دراسة جديدة أن البطاريات الكمومية يمكن أن تعمل من خلال انتهاك ما نعرفه عن السبب والنتيجة.
قال تشن يوانبو، مؤلف الدراسة: "البطاريات الحالية المستخدمة في الأجهزة منخفضة الطاقة مثل الهواتف الذكية أو أجهزة الاستشعار تستخدم عادةً مواد كيميائية مثل الليثيوم لتخزين الشحنة، بينما تستخدم البطاريات الكمومية جسيمات مجهرية مثل مصفوفات الذرات. تخضع البطاريات الكيميائية لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، في حين أن الجسيمات المجهرية كمومية بطبيعتها، لذلك لدينا الفرصة لاستكشاف طرق لاستخدامها لثني أو حتى كسر مفاهيمنا البديهية لما يحدث على نطاقات صغيرة. أنا مهتم بشكل خاص بكيفية استخدام هذه البطاريات". تنتهك الجسيمات الكمومية واحدة من تجاربنا الأساسية: الوقت."
في الفيزياء الكلاسيكية، نوع الفيزياء الذي نختبره في العالم واسع النطاق، من الواضح أن السبب والنتيجة خطيان. وبالعودة إلى التشبيه السابق، فإن سقوط الزجاج (الحدث أ) يتسبب في تحطم الزجاج (الحدث ب)، لكن لا يمكنك عكس العلاقة بين الحدثين. الزجاج لم يسقط لأنه تحطم. لكن في عالم فيزياء الكم الشبحي، لا ينطبق هذا القيد. إن دمج هذه المفارقة في البطاريات الكمومية يمكن أن يساعد في تحسين كفاءتها.
وفي الدراسة الجديدة، أجرى العلماء في جامعة طوكيو تجربة معملية باستخدام أشعة الليزر والعدسات والمرايا كبطارية كمية كبيرة. وعادة ما يتطلب شحن هذه البطاريات مراحل شحن متعددة، تعمل واحدة تلو الأخرى، ولكن هنا، استفاد فريق البحث من التأثير الكمي الذي يسمى النظام السببي غير المحدد (ICO). في الأساس، بمجرد أن أدخلوا النظام إلى التراكب الكمي، يمكن أن يوجد النظام السببي في كلا الاتجاهين في وقت واحد، مما يسمح لخطوات الشحن المتعددة بالعمل في وقت واحد بدلاً من التتابع.
وقال تشين: "مع ICO، أثبتنا أن الطريقة التي يتم بها شحن البطارية المكونة من جزيئات كمية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أدائها". "لقد وجدنا تحسينات هائلة في كل من الطاقة المخزنة في النظام والكفاءة الحرارية. وبشكل غير بديهي إلى حد ما، وجدنا تأثيرًا مفاجئًا للتفاعل الذي كان عكس ما كان متوقعًا: يمكن لشاحن منخفض الطاقة أن يوفر المزيد من الطاقة بينما يكون أكثر كفاءة من الشاحن عالي الطاقة الذي يستخدم نفس الجهاز."
قد يكون من الصعب على معظم الناس فهم ذلك، لكن البطاريات الكمومية قد تصبح حقيقة في يوم من الأيام. في الوقت الحالي، لا توجد هذه التجارب إلا كتجارب معملية، لكن العلماء يختبرون جوانب مختلفة منها ببطء، بهدف نهائي هو معرفة كيفية دمج الأجزاء في الكل العامل.
ونُشر البحث في مجلة Physical Review Letters.