Presto useremo l'entanglement quantistico per ricaricare lo smartphone

Una nuova tecnica ispirata alla quantistica e alla fotosintesi potrebbe risolvere per sempre la rottura delle batterie.

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09 maggio 2017, 9:10am

Da quando la fisica quantistica si è fatta largo nella comunità scientifica, quando gli esperimenti hanno cominciato a provare la sua veridicità e la sua incredibile potenzialità, si è cominciato a cercare di unificare questa controversa teoria della fisica con quelle già esistenti, al fine di ottenere una teoria che riesca a descrivere tutto l'universo per come lo conosciamo. Una teoria del tutto. Questo non è affatto facile, e già qui su Motherboard abbiamo parlato dello scontro tra fisica quantistica e relatività generale.

Se non si vuole frugare nel mondo relativistico possiamo anche fermarci alla fisica classica e parlare della termodinamica: in questi anni in cui la tecnologia sta raggiungendo la scala atomica (si parla già di motori a singolo atomo e frigoriferi composti da tre atomi) è necessario estendere lo studio delle trasformazioni di calore in lavoro e viceversa (appunto, la termodinamica) al mondo quantistico dove definire temperatura e lavoro non è proprio così semplice.

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Lo scontro è decisamente alla pari, basti citare le parole della fisica Lídia del Rio: "Se le teorie della fisica fossero persone, la termodinamica sarebbe la strega del villaggio. Le altre teorie la trovano strana, in qualche modo diversa nella propria natura dalle altre, e nonostante questo vanno da lei per chiederle consigli, e nessuno osa contraddirla." Così quando Francesco Campaioli e il tuo team hanno deciso di studiare come caricare una batteria quantistica hanno consultato la "strega", e quello che ne è saltato fuori è incredibile.

Per batteria quantistica, spesso si parla di quantacell, si intende un sistema di qbit (atomi, ioni o anche molecole che in questo contesto prendono il nome di wits, aka working qbits) che immagazzina energia passando da uno stato di riposo a uno eccitato: lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, ha dimostrato come una batteria del genere si possa ricaricare più velocemente di qualsiasi altra batteria convenzionale. Già qualche anno fa, Felix C. Binder aveva dimostrato teoricamente questa tesi, mostrando come questa "accelerazione quantistica" fosse dovuta all'entanglement quantistico che si veniva a creare tra i diversi qbit. Questo tipo di legame, possibile solo nel mondo dei quanti, e che non ha nessun corrispettivo nel mondo classico, permette di creare delle "scorciatoie" tra i due stati del sistema (scarico-carico) permettendo una ricarica più veloce.

Il primo risultato sbalordente è che il tempo impiegato dalla batteria per ricaricarsi è inversamente proporzionale numero di qbits che formano il sistema: questo significa che se un qbit impiegasse un'ora a caricarsi, sei qbits ci metterebbero dieci minuti. Non è finita: secondo Robert Alicki e Mark Fannes, sfruttando lo stesso effetto sarebbe possibile creare una batteria perfetta ed arrivare al limite termodinamico. Questo significherebbe avere della batterie che possono cedere la propria energia istantaneamente e senza nessuna perdita durante il trasferimento grazie all'effetto dell'entanglement quantistico.

Sarebbe la prima tecnologia sviluppata dall'uomo ad eguagliare il processo di fotosintesi, che i biologi hanno dimostrato possedere un trasferimento perfetto di energia senza però capire ancora il perché.

In sintesi, una batteria che più è grande più si carica velocemente, che può cedere tutta la propria energia istantaneamente e senza nessuna perdita. A quale prezzo?

I problemi da affrontare sono quelli tipici dell'informazione quantistica, a partire dalla de-coerenza. Le interazioni con l'ambiete circostante ai qbit della batteria potrebbero scaricarla, facendo perdere l'informazione e quindi l'energia accomulata. C'è bisogno quindi di proteggere quelle quantacell affinché il loro stato quantistico rimanga inalterato sufficientemente a lungo. Il secondo problema è la quantità di energia accumulata: i salti quantistici di cui parliamo hanno un potere energetico irrisorio rispetto a una qualsiasi batteria convenzionale.

Per caricare un iPhone (con una capacità di circa 19,62 kJ), se assumiamo che ogni atomo accumuli circa 1eV, ci vorrebbero 10^25 salti quantistici; sapendo che un corpo umano di un uomo sui 70 kg è composto da circa 10^27 atomi, capiamo l'ordine di grandezza. Fino a quando non riusciremo a costruire un sistema macroscopico con queste proprietà tipiche del mondo atomico, queste batterie saranno utilizzate per alimentare le nanotecnologie che tra qualche anno invaderanno la nostra vita. Potranno non servire a caricare l'iPhone oggi, ma un qualche microchip per parlare con il pensiero tra qualche anno sì. Prima di caricarci troppo, attendiamo che queste batterie vedano la luce.