Arriva la prima batteria quantistica al mondo: si carica col laser

La batteria quantistica è finalmente realtà: dopo un (relativamente) lungo viaggio è passata dai paper accademici ad un oggetto. Un oggetto piccolo, fragile, con una carica che dura nanosecondi: ma reale. Un team australiano guidato dal CSIRO, l’Agenzia scientifica nazionale australiana, ha costruito il primo prototipo funzionante al mondo: un sandwich multistrato che si carica con un laser, immagazzina energia e la converte in corrente elettrica.

Cosa fa al momento? Poco, in termini pratici. Ma è importante quello che dimostra: e cioè che le batterie quantistiche si comportano davvero come tutte le teorie sulla materia prevedevano da tredici anni. Specialmente una: più sono grandi, più velocemente si caricano. Il contrario esatto di qualsiasi batteria conosciuta.

Un sandwich che intrappola la luce

Il concetto di batteria quantistica gira nei laboratori dal 2013, quando qualcuno si chiese se un sistema basato sulla meccanica quantistica potesse immagazzinare e trasferire energia in modo più efficiente delle reazioni chimiche. La risposta teorica era sì. Quella pratica ha richiesto otto anni di lavoro al team di James Quach, ricercatore del CSIRO, insieme a colleghi della RMIT University e dell’Università di Melbourne.

Il prototipo è una microcavità organica multistrato: ogni strato ha una funzione diversa (catturare la luce, definire il gradiente energetico, estrarre la corrente). La batteria quantistica si carica in modalità wireless con un laser e converte l’energia assorbita in corrente elettrica. Ecco, questa conversione è la vera novità: il primo prototipo nel 2022 dimostrava già la ricarica ultrarapida, ma non aveva modo di tirare fuori l’energia immagazzinata. Come se un salvadanaio non avesse alcun buco per recuperare le monete.

Il fattore della batteria quantistica che sfida la logica

Il fatto è questo: nelle batterie tradizionali, più aumenti la capacità e più tempo serve per caricarle. La batteria quantistica, come vi scrivevo prima, fa il contrario. Grazie a un fenomeno chiamato superestensività, le unità di accumulo non agiscono in modo indipendente ma si hanno un comportamento collettivo, come se ciascuna “sapesse” che le altre esistono. Più molecole aggiungi, più rapidamente il sistema assorbe energia.

Quach lo ha spiegato con una formula semplice: il tempo di ricarica diminuisce come 1/√N, dove N è il numero di molecole. Controintuitivo, ma confermato.

Il team ha usato tecniche di spettroscopia avanzata per verificare che il prototipo trattenesse l’energia per un tempo sei ordini di grandezza superiore a quello necessario per caricarlo. Sei ordini di grandezza suona impressionante (e lo è, in termini relativi), finché non si scopre che parliamo di nanosecondi. La capacità? Pochi miliardi di elettronvolt, l’equivalente dell’energia di qualche protone. Insomma: la batteria quantistica funziona, ma la scala è quella dell’infinitamente piccolo.

Per il telefono? Forse. Ma anche per il computer quantistico

Quach è il primo a riconoscerlo: la batteria quantistica caricherà il tuo smartphone. I prossimi passi prevedono di aumentare le dimensioni del prototipo e soprattutto di estendere la durata della carica. La vera applicazione, quella che rende questa ricerca più di un esercizio elegante, riguarda i computer quantistici. A gennaio lo stesso CSIRO ha pubblicato su Physical Review X uno studio teorico che mostra come le batterie quantistiche potrebbero alimentare internamente un computer quantistico, riciclando l’energia del sistema e quadruplicando il numero di qubit disponibili. Un po’ come dare al computer un serbatoio interno che si ricarica mentre lavora.

Andrew White, fisico quantistico dell’Università del Queensland (non coinvolto nello studio), ha definito il prototipo un lavoro solido che trasforma la batteria quantistica da idea a oggetto reale. Il team punta ora a un design ibrido che unisca la velocità di ricarica quantistica alla durata di accumulo delle batterie classiche.

Ambizioso, certo. Ma otto anni fa nemmeno il prototipo sembrava possibile.

Il primo volo dei fratelli Wright durò dodici secondi. La prima batteria quantistica tiene la carica per qualche nanosecondo. Quach fa il paragone, e ha ragione a farlo: perché non è importante quanto sia durato il primo tentativo, ma il fatto che si sia staccato da terra.