Protótipo de bateria quântica abre caminho para carregamento quase instantâneo

Você está atrasado para um compromisso importante. Quando finalmente sai de casa, percebe que o seu telemóvel (celular) está sem bateria.

Agora imagine conseguir recarregá-lo quase de imediato ao tirar partido das regras estranhas da física quântica. É essa a proposta das baterias quânticas.

Eu e os meus colegas na CSIRO desenvolvemos os primeiros protótipos de bateria quântica do mundo - e o rumo que esta tecnologia tomou acabou por surpreender.

Efeitos quânticos coletivos

Provavelmente já ouviu falar de fenómenos quânticos peculiares, como superposição e emaranhamento, que fazem objetos extremamente pequenos comportarem-se de maneiras fora do comum. São também esses efeitos que podem permitir que computadores quânticos resolvam tarefas que computadores convencionais não conseguem.

Há ainda outra característica curiosa do mundo quântico: os chamados "efeitos coletivos". É exatamente isso que confere às baterias quânticas as suas propriedades distintas.

Nas condições certas, as unidades que armazenam energia numa bateria quântica não funcionam como elementos isolados; em vez disso, passam a atuar em conjunto. De forma contraintuitiva, isso implica que o conjunto carrega mais depressa do que cada unidade carregaria sozinha.

Imagine que a sua bateria quântica tem N unidades de armazenamento e que, individualmente, cada uma levaria um segundo para carregar. Com os efeitos coletivos, se todas forem carregadas ao mesmo tempo, cada unidade passa a precisar de apenas 1∕√N segundos.

Na prática, isto quer dizer que quanto maior a bateria quântica, menor é o tempo de recarga. Se o tamanho duplicar, o tempo de carregamento passa a ser só um pouco mais do que metade.

É como se cada unidade “percebesse” que existem outras à sua volta - e essa presença fizesse cada uma carregar mais rapidamente. Estranho, não é?

Isso contrasta fortemente com o que acontece em baterias convencionais, em que baterias maiores tendem a demorar mais a carregar. É por isso que carregar um telemóvel pode levar cerca de uma hora, enquanto um carro elétrico costuma precisar de uma noite inteira.

Construindo baterias quânticas: do conceito ao protótipo

Durante muito tempo, a ideia de uma bateria quântica ficou restrita à teoria, quase como uma curiosidade académica. Mas, em 2018, eu decidi mostrar que elas poderiam, de facto, ser construídas.

Em 2022, em colaboração com colegas do Reino Unido e da Itália, montámos um protótipo de bateria quântica usando uma microcavidade orgânica - uma espécie de “sanduíche” minúsculo e complexo, com múltiplas camadas de materiais diferentes, capaz de aprisionar a luz de um modo específico.

Com isso, conseguimos demonstrar pela primeira vez o comportamento exótico em que baterias quânticas maiores realmente precisam de menos tempo para carregar.

Na verdade, mostramos que o tempo de recarga diminui como 1∕√N, em que N era o número de moléculas na nossa bateria. Quanto mais moléculas incluíamos, mais rápido a bateria carregava - exatamente como a teoria previa.

Um ponto fraco desse primeiro protótipo era a ausência de um mecanismo para extrair a energia armazenada. Para resolver isso, no nosso estudo mais recente, publicado na revista Luz: Ciência e Aplicações, acrescentámos camadas adicionais ao dispositivo, capazes de converter essa energia num corrente elétrica. Este avanço representa um passo importante na direção de uma bateria quântica prática.

Ainda há muito a avançar

Então, por que motivo não encontramos baterias quânticas à venda?

A razão é que a capacidade das baterias quânticas ainda é muito pequena (alguns bilhões de elétron-volts) e o tempo durante o qual mantêm a carga é extremamente curto (alguns nanossegundos). Assim, pelo menos por enquanto, elas são pequenas demais para alimentar dispositivos comuns como o seu telemóvel.

Por outro lado, baterias quânticas podem ser ideais para fornecer energia a dispositivos quânticos, como computadores quânticos. Na verdade, elas podem ser exatamente a solução de que computadores quânticos precisam para operar em escalas maiores e tornarem-se práticos.

Embora ainda não tenhamos baterias quânticas prontas para uso cotidiano, estamos a trabalhar em formas de ampliar o tamanho do nosso protótipo e aumentar o tempo pelo qual ele consegue reter a carga. A nossa expectativa é criar um desenho híbrido que una a velocidade excecional de carregamento da bateria quântica com o armazenamento prolongado de uma bateria clássica.

O progresso que alcançámos reflete um século de trabalho teórico desenvolvido por cientistas quânticos antes de nós.

No nosso primeiro protótipo, a carga durou nanossegundos. O primeiro voo dos irmãos Wright durou um pouco mais. O avanço leva tempo - mas as baterias quânticas já estão no nosso horizonte.

James Quach, Líder Científico, Equipa de Baterias Quânticas, CSIRO

Este artigo foi republicado de A Conversa sob uma licença Commons Criativa. Leia o artigo original.