最初の動作する量子電池は、より大きいことが本当により速いことを証明する

要点

• オーストラリアの科学者たちが最初の動作する量子バッテリープロトタイプを構築した。
• 量子バッテリーは規模が大きくなるほど充電速度が速くなり、古典的な限界を超える。
• この突破口は将来の量子コンピュータに電力を供給できる可能性があるが、まだ消費者向けデバイスには未対応。

あなたのスマートフォンの充電には1時間かかる。電気自動車（EV）は一晩かかる。そのトレードオフ—容量が増えるほど待ち時間も長くなる—はバッテリーの仕組みに深く根付いており、誰も疑問に思わなくなっている。オーストラリアの科学者チームは、そのルールを完全に破るものを作り出した。 CSIRO（オーストラリア国立科学庁）の研究者たちと、RMIT大学およびメルボルン大学のチームは、世界初の動作する量子バッテリープロトタイプを発表した。 これは化学ではなく量子物理の法則を用いて充電、エネルギーの蓄積、放出を行う実物のデバイスである。彼らの研究成果は水曜日に「Nature Light: Science & Applications」に掲載された。 このプロトタイプは、ナノスケールのサンドイッチのような有機材料の層からなる小さな層状ウェハで、レーザーパルスによって無線充電される。パルスはフェムト秒（1フェムト秒は1兆分の1秒）単位で続く。その瞬間に充電され、その後ナノ秒単位でエネルギーを保持する—充電にかかった時間の約6桁長く。

この差は規模を拡大すると印象的に変わる。「もし1分でバッテリーを充電できれば、それは数年持続するだろう」と、リード研究者のジェームズ・クアックは説明した。物理学的にはすでに実現可能な状態にある。今後の課題は、実際のデバイスでどれだけ長くエネルギーを保持できるかだ。 本当に奇妙なのは、その速度ではなく、スケーリングの挙動だ。 従来のバッテリーは容量が増えると充電速度が遅くなる。容量が増えれば待ち時間も長くなるが、量子バッテリーは逆だ。分子を多く詰め込むほど、各分子の充電速度が速くなる—なぜなら、量子レベルではそれらは個別に動かず、集団として振る舞い、受け取ったエネルギーを「スーパー吸収」と呼ばれる協調的な一撃で共有するからだ。

技術的には、研究者たちは充電時間が1/√Nに比例して短縮されると述べている。Nは分子の数を表す。バッテリーを2倍にすれば、充電時間はほぼ半分になる、というわけだ。 「私たちの発見は、完全に直感に反する基本的な量子効果を確認したものだ。量子バッテリーは大きくなるほど速く充電される」と、クアックはメルボルン大学に語った。「今日のバッテリーはそうは動かない」 この性質は2013年から数学的に予測されており、2022年には部分的な実証も行われている。今回新たなのは、完全なサイクルの実現だ。チームは、蓄えたエネルギーを電流として引き出す方法を解明した。これは、これまでの量子バッテリー実験では実現できなかったことだ。さらに、このデバイスは常温で動作し、中国やスペインの超伝導冷却が必要な競合技術に比べて実用的な利点も持つ。 即時の用途は電気自動車やその他の大きな電力供給にはまだ不十分だ。プロトタイプの総容量はナノエレクトロンボルトの十億分の一程度で、現実世界で何も動かすことはできない。しかし、量子コンピュータにとっては別の話だ。これらのシステムはすでに多くの予想を超えて高速で進化しており、特有のエネルギー問題を抱えている。それは、微妙な量子状態をコヒーレントに電力供給しなければならず、従来の電子機器がもたらすノイズを排除する必要があるということだ。量子バッテリーは、これらのプロセッサが使う量子言語を用いて充放電を行う。 「量子バッテリーは、コヒーレントにエネルギーを供給でき、量子コンピュータにとって最小限のエネルギーコストで動作させることができる」と、クイーンズランド大学の量子技術研究所のアンドリュー・ホワイト教授は述べた。彼はこの研究には関与していない。 CSIROはすでに、EVメーカーやディープテック投資家などの開発パートナーを求めており、研究の推進を図っている。理論はハードウェアよりも10年先行していたが、ハードウェアも追いつきつつある。