Como as baterias quânticas do CSIRO podem carregar quase instantaneamente

Você está atrasado para um compromisso importante. No instante em que sai de casa, percebe que o telemóvel ficou sem bateria.

Agora, imagine poder recarregá-lo quase de imediato ao tirar proveito das regras estranhas da física quântica. Essa é a proposta das baterias quânticas.

Eu e os meus colegas da CSIRO desenvolvemos os primeiros protótipos de baterias quânticas do mundo - e o rumo que essa tecnologia tomou acabou por ser inesperado.

Efeitos quânticos coletivos

Você talvez já tenha ouvido falar de fenómenos quânticos peculiares, como superposição e emaranhamento, que fazem com que objetos muito pequenos se comportem de maneiras pouco intuitivas. São esses mesmos efeitos que também podem permitir que computadores quânticos resolvam problemas fora do alcance dos computadores convencionais.

Dentro desse universo, existe uma característica ainda mais curiosa, conhecida como "efeitos coletivos". É ela que dá às baterias quânticas as suas propriedades especiais.

Quando as condições são adequadas, as unidades que armazenam energia numa bateria quântica deixam de atuar isoladamente e passam a funcionar em conjunto. O resultado, contra a intuição, é que elas carregam mais depressa quando carregam coletivamente do que carregariam se estivessem a carregar sozinhas.

Suponha que a sua bateria quântica tenha N unidades de armazenamento e que cada unidade precise de um segundo para carregar. Com os efeitos coletivos, se todas as unidades forem carregadas ao mesmo tempo, cada uma passa a levar apenas 1∕√N segundos para completar a carga.

Em outras palavras, quanto maior for a bateria quântica, menor tende a ser o tempo necessário para carregá-la. Se o tamanho duplicar, o carregamento passa a demorar só um pouco mais do que metade do tempo.

É como se cada unidade, de algum modo, "soubesse" que existem outras ao seu redor - e como se essa vizinhança fizesse cada unidade carregar mais rápido. Estranho, não?

Isso contrasta fortemente com o que acontece em baterias convencionais: em geral, baterias maiores costumam exigir mais tempo para carregar. É por isso que pode levar cerca de uma hora para recarregar o telemóvel, enquanto um carro elétrico precisa de uma noite inteira.

Construindo uma bateria quântica

Durante muito tempo, a bateria quântica foi pouco mais do que uma curiosidade teórica. Mas, em 2018, eu comecei a trabalhar com o objetivo de mostrar que elas poderiam, de facto, ser construídas.

Em 2022, em colaboração com colegas do Reino Unido e da Itália, desenvolvemos um protótipo de bateria quântica baseado numa microcavidade orgânica - uma espécie de sanduíche minúsculo, complexo e com várias camadas, feito de diferentes materiais, que aprisiona a luz de uma forma específica.

Com esse sistema, conseguimos observar pela primeira vez o comportamento exótico no qual baterias quânticas maiores realmente precisam de menos tempo para carregar.

Mais do que isso: demonstrámos que o tempo de carregamento diminui como 1∕√N, em que N era o número de moléculas na nossa bateria. Quanto mais moléculas incluíamos, mais rapidamente a bateria carregava - exatamente como a teoria previa.

Uma limitação desse primeiro protótipo era não ter um método para retirar a energia armazenada. Para resolver isso, no nosso estudo mais recente, publicado na revista Light: Science & Applications, acrescentámos camadas adicionais ao dispositivo, capazes de converter essa energia em corrente elétrica. Esse avanço representa um passo importante rumo a uma bateria quântica prática.

Avanços que ainda faltam

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

A razão é que a capacidade das baterias quânticas continua a ser muito pequena (alguns bilhões de elétron-volts) e o tempo durante o qual conseguem manter a carga é extremamente curto (alguns nanossegundos). Por isso, pelo menos por enquanto, elas são pequenas demais para alimentar aparelhos convencionais, como o seu telemóvel.

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

Embora ainda não tenhamos baterias quânticas prontas para o uso diário, estamos a trabalhar em maneiras de aumentar a escala do nosso protótipo e prolongar o tempo em que ele mantém a carga. A nossa expectativa é chegar a um projeto híbrido que una a velocidade de carregamento excecional da bateria quântica com o longo tempo de armazenamento de uma bateria clássica.

O que já avançámos até aqui também reflete um século de trabalho teórico realizado por cientistas quânticos antes de nós.

No nosso primeiro protótipo, a carga durava nanossegundos. O primeiro voo dos irmãos Wright durou um pouco mais. Avanços levam tempo - mas as baterias quânticas estão, sem dúvida, no nosso horizonte.

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

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.