Fizyka kwantowa jest nauką, która zdaje się zaprzeczać naszemu zdrowemu rozsądkowi i intuicji, a jednocześnie jest obszarem intensywnego rozwoju. Jak dotychczas nikomu nie udało się podważyć praw nią rządzących. Oferuje nowe możliwości innowacji technologicznych, które wykraczają poza granice fizyki klasycznej. Jedną z nich jest pomysł na baterię kwantową, która będzie przechowywała energię skuteczniej niż konwencjonalne akumulatory. Badania w tym zakresie są prowadzone m.in. w Japonii, Korei, Chinach, Australii, Kanadzie, a także w Polsce.
Baterie kwantowe nie są jeszcze gotowe do komercyjnego użytku i zapewne długo nie będą. Testowane są dopiero rządzące nimi prawa. Mogą zrewolucjonizować dziedziny, które wymagają przenośnych źródeł energii o niskim poborze mocy, takich jak urządzenia Internetu Rzeczy. Być może znajdą również docelowo zastosowania w pojazdach elektrycznych, a to byłaby prawdziwa rewolucja w transporcie.
W przeciwieństwie do baterii chemicznych, które opierają się na materiałach takich jak lit, baterie kwantowe wykorzystują fotony do przechowywania energii w swoich stanach kwantowych. Taka bateria znacząco różni się od dobrze nam znanych. Są w niej wykorzystywane różnorodne elementy optyczne oraz lasery, dzięki którym następuje manipulacja stanami kwantowymi cząstek. Aby przekształcić światło w użyteczną energię elektryczną, baterie kwantowe będą musiały zawierać specjalną warstwę przewodzącą, która umożliwi transfer kwantów energii emitowanej lub pochłanianej przez fotony do elektronów.
W fizyce kwantowej możliwe są zjawiska niesamowite. Jednocześnie może bowiem zachodzić sytuacja, że zdarzenie A powoduje zdarzenie B, a zdarzenie B powoduje zdarzenie A. Wykorzystując prawa fizyki kwantowej możliwe staje się więc natychmiastowe naładowanie lub rozładowanie baterii oraz jednoczesne ładowanie i rozładowywanie tych samych fotonów (foton może przyjmować jednocześnie dwa stany). W fizyce klasycznej możemy, na podstawie chwilowych parametrów lotu pocisku karabinowego, określić zarówno jego przyszłość (miejsce trafienia), jak również przeszłość (miejsce wystrzelenia). Nie mamy za to możliwości stwierdzenia z pełną precyzją, w jaki sposób rozbije się rzucona przez nas o ścianę szklanka, ani odtworzenia jej idealnego początkowego stanu, dysponując tylko częściami po rozbiciu.
Co ciekawe, naukowcy podczas eksperymentów przekonali się, że ładowanie baterii kwantowej małą mocą zapewnia jej znacznie większą pojemność i wydajność, niż ładowanie dużą mocą. Stosując akumulator składający się ze 100 ogniw kwantowych, można go naładować sto razy szybciej niż pojedyncze ogniwo kwantowe i to przy użyciu jednej ładowarki o małej mocy. Zwielokrotniając liczbę takich ładowarek można ten wynik zdecydowanie poprawić. Badane materie kwantowe radzą sobie też znacznie lepiej od klasycznych z odprowadzaniem nadmiaru ciepła. Gdyby zastosować rozwiązania z zakresu fizyki kwantowej w panelach słonecznych, przestałyby one być wrażliwe na zmiany temperatury, umożliwiając funkcjonowanie z pełną mocą również w bardzo słoneczne, letnie dni. Mogłyby też działać efektywniej przy niskim poziomie oświetlenia.
Fizyka kwantowa ma już ponad 100 lat. Dopiero w ostatnim okresie czasu ludzkość zaczęła praktycznie stosować jej prawa. Fizycy twierdzą, że tylko na poziomie kwantowym da się wyjaśnić funkcjonowanie całego wszechświata, szczególnie tam, gdzie zawodzi fizyka klasyczna, np. wewnątrz osobliwości czarnych dziur, które stanowią przecież centra grawitacji wszystkich galaktyk. Prawa współczesnej fizyki w nich nie obowiązują, więc potencjalnie jest w nich możliwe poruszanie się z prędkościami większymi od prędkości światła oraz upływ czasu wstecz. Nie mamy jednak możliwości sprawdzenia tego, gdyż zbliżając się do osobliwości, czas spowalnia, aż do całkowitego zatrzymania po osiągnięciu tzw. horyzontu zdarzeń. Fizyka kwantowa najlepiej sprawdza się w przypadku niezmiernie małych cząstek (skala subatomowa) lub oddziaływań w makroskali, stąd szalenie trudno ją w pełni zdefiniować, bo brakuje nam narzędzi badawczych o odpowiednich parametrach. Naukowcy tworzą kolejne teorie wykorzystujące zjawiska kwantowe, które zapewne będą wymagały wielu lat eksperymentów, nim uda się je zweryfikować lub obalić. Jesteśmy też przyzwyczajeni do kluczowego znaczenia czasu i przestrzeni w naszym życiu. Dla fizyki kwantowej te ograniczenia nie istnieją. Przejście na zjawiska kwantowe spowoduje, że dotychczasowe kursy fizyki będą musiały zostać całkowicie zmienione, gdyż będą stanowiły zaledwie wyjątki w zupełnie nowych regułach. Niektórzy profesorowie fizyki kwantowej już dziś twierdzą, że przyszłe odkrycia na nowo zbudują cały świat fizyki oraz innych nauk, stanowiąc prawdziwy skok dla ludzkości, na który tak bardzo czekamy.
Krzysztof Hajdrowski
