Erste funktionierende Quantenbatterie beweist, dass größer wirklich schneller bedeutet

Kurzfassung

• Australische Wissenschaftler haben den ersten funktionierenden Prototyp einer Quantenbatterie gebaut.
• Quantenbatterien laden schneller, je größer sie sind, und widersprechen damit klassischen Grenzen.
• Dieser Durchbruch könnte zukünftige Quantencomputer mit Energie versorgen, aber noch keine Verbrauchergeäte.

Ihr Telefon braucht eine Stunde zum Laden. Ihr Elektroauto die ganze Nacht. Dieser Kompromiss—mehr Kapazität bedeutet mehr Warten—ist so tief in der Funktionsweise von Batterien verankert, dass ihn kaum noch jemand hinterfragt. Ein Team australischer Wissenschaftler hat jetzt etwas gebaut, das diese Regel vollständig bricht. Forscher des CSIRO, Australiens nationaler Wissenschaftsagentur, zusammen mit Teams der RMIT University und der University of Melbourne, haben den weltweit ersten funktionierenden Prototyp einer Quantenbatterie vorgestellt. Es handelt sich um ein echtes physikalisches Gerät, das lädt, Energie speichert und entlädt—unter Verwendung der Regeln der Quantenphysik statt Chemie. Ihre Ergebnisse wurden am Mittwoch in Nature Light: Science & Applications veröffentlicht. Der Prototyp ist eine winzige, geschichtete Schicht aus organischen Materialien, ähnlich einem nanoskopischen Sandwich, das drahtlos durch einen Laserimpuls aufgeladen wird. Dieser Impuls dauert Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist eine Billiardstel Sekunde. Das Gerät lädt in diesem Zeitraum auf und hält seine Energie für Nanosekunden—etwa sechs Größenordnungen länger als die Zeit, die zum Aufladen benötigt wurde.

Dieser Abstand klingt wenig beeindruckend, bis man ihn skaliert. „Wenn wir eine Batterie in einer Minute aufladen können, würde sie mehrere Jahre lang geladen bleiben“, erklärte der leitende Forscher James Quach. Die Physik funktioniert bereits. Die Herausforderung besteht jetzt darin, die Dauer der gespeicherten Energie in einem echten Gerät zu verlängern. Der wirklich erstaunliche Teil ist nicht die Geschwindigkeit, sondern das Skalierungsverhalten. Konventionelle Batterien werden beim Wachsen langsamer beim Laden. Mehr Kapazität bedeutet mehr Zeit, aber bei Quantenbatterien ist es genau umgekehrt. Je mehr Moleküle im Gerät gepackt sind, desto schneller lädt jedes einzelne—denn auf Quantenebene verhalten sie sich nicht einzeln. Sie agieren kollektiv, teilen die eingehende Energie in einem einzigen, koordinierten Stoß, den die Forscher „Superabsorption“ nennen.

Technisch gesehen sagen Forscher, dass die Ladezeit proportional zu 1/√N sinkt, wobei N die Anzahl der Moleküle ist. Verdoppelt man die Batterie, halbiert sich die Ladezeit fast, und so weiter. „Unsere Ergebnisse bestätigen einen fundamentalen Quanten-Effekt, der völlig kontraintuitiv ist: Quantenbatterien laden schneller, je größer sie sind“, sagte Quach gegenüber der Universität Melbourne. „Heutige Batterien funktionieren so nicht.“  Dieses Phänomen wurde seit 2013 mathematisch vorhergesagt, und eine teilweise Version wurde 2022 demonstriert. Neu ist hier der vollständige Zyklus: Das Team hat herausgefunden, wie die gespeicherte Energie wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, was bei bisherigen Quantenbatterie-Experimenten nicht gelungen war. Das Gerät läuft außerdem bei Raumtemperatur—ein praktischer Vorteil gegenüber konkurrierenden supraleitenden Ansätzen aus China und Spanien, die Kryogenkühlung erfordern. Die unmittelbare Anwendung ist noch nicht Ihr Elektroauto oder Ähnliches. Die Gesamtkapazität des Prototyps wird in Milliardstel Elektronenvolt gemessen—genug, um in der realen Welt noch nichts anzutreiben. Aber Quantencomputer sind eine andere Geschichte. Diese Systeme entwickeln sich bereits schneller als die meisten erwartet haben, und sie haben ein spezielles Energieproblem: Ihre empfindlichen Quantenzustände benötigen eine kohärente Energieversorgung, ohne das Rauschen, das herkömmliche Elektronik einführt. Eine Quantenbatterie lädt und entlädt mit der gleichen Quanten-Sprache, die diese Prozessoren sprechen. „Quantenbatterien könnten Energie kohärent bereitstellen, mit minimalen Energiekosten für die Quantencomputer“, sagte Professor Andrew White, Leiter des Quanten-Technologielabors an der University of Queensland, der an der Forschung nicht beteiligt war, gegenüber The News Digital. CSIRO sucht bereits nach Entwicklungspartnern, darunter Elektroauto-Hersteller und Deep-Tech-Investoren, um die Forschung voranzutreiben. Die Theorie hatte einen Jahrzehnt Vorsprung vor der Hardware. Jetzt hat die Hardware aufgeholt.