Protótipo de bateria quântica abre caminho para recarga quase instantânea.

Você está atrasado para um compromisso importante. Bem na hora de sair de casa, percebe que o seu telemóvel ficou sem bateria.

Agora imagine conseguir recarregá-lo quase instantaneamente ao tirar partido das regras estranhas da física quântica. Essa é a promessa das baterias quânticas.

Eu e os meus colegas na CSIRO desenvolvemos os primeiros protótipos de bateria quântica do mundo - e o rumo que essa tecnologia tomou é, no mínimo, surpreendente.

Efeitos quânticos coletivos nas baterias quânticas

Talvez você já tenha ouvido falar de efeitos peculiares como superposição e emaranhamento, capazes de fazer com que objetos muito pequenos se comportem de maneiras inesperadas. Esses mesmos fenómenos também sustentam a ideia de que computadores quânticos poderão resolver certos problemas que os computadores convencionais não conseguem.

Há, porém, outra característica do mundo quântico que é especialmente importante aqui: os chamados “efeitos coletivos”. São eles que dão às baterias quânticas as suas propriedades únicas.

Em condições adequadas, as unidades de armazenamento de uma bateria quântica não atuam como peças isoladas; em vez disso, passam a comportar-se como um conjunto. E, num resultado contraintuitivo, isso faz com que elas recarreguem mais depressa em grupo do que se estivessem a carregar separadamente.

Pense numa bateria quântica com N unidades de armazenamento. Se cada unidade, sozinha, levaria 1 segundo para carregar, os efeitos coletivos significam que, ao carregar todas ao mesmo tempo, cada unidade passa a levar apenas 1/√N segundos.

Na prática, isso implica algo notável: quanto maior for a sua bateria quântica, menor tende a ser o tempo de carregamento. Se você dobrar o tamanho, o tempo de carga fica apenas um pouco acima de metade do anterior.

É como se cada unidade “soubesse” que existem outras por perto - e essa presença coletiva fizesse cada uma carregar mais rapidamente. Estranho, não?

Isso contrasta fortemente com o que acontece nas baterias convencionais: em geral, baterias maiores demoram mais a carregar. É por isso que o telemóvel pode levar cerca de uma hora para encher, enquanto um carro elétrico pode precisar de uma noite inteira ligado à tomada.

Como construímos um protótipo de bateria quântica

Durante muito tempo, a bateria quântica existiu mais como uma curiosidade teórica do que como um dispositivo real. Mas, em 2018, eu decidi demonstrar que seria possível, sim, construí-la.

Em 2022, em colaboração com colegas do Reino Unido e da Itália, criámos um protótipo de bateria quântica usando uma microcavidade orgânica - uma estrutura minúscula e complexa, formada por várias camadas de materiais diferentes, como um “sanduíche” multicamada que aprisiona a luz de uma forma específica.

Com esse dispositivo, conseguimos mostrar pela primeira vez o comportamento exótico em que baterias quânticas maiores realmente passam a carregar em menos tempo.

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

Um ponto fraco desse primeiro protótipo era a ausência de um mecanismo para extrair a energia armazenada. Para resolver isso, no nosso estudo mais recente - publicado na revista Luz: Ciência e Aplicações - acrescentámos camadas adicionais ao dispositivo, capazes de converter a energia em corrente elétrica. Esse avanço representa um passo importante na direção de uma bateria quântica prática.

Além de acelerar a carga, protótipos como esse ajudam a mapear quais materiais e arquiteturas favorecem (ou atrapalham) a emergência dos efeitos quânticos coletivos. Em outras palavras: não é apenas um “truque” para carregar rápido - é também uma plataforma experimental para entender como a energia pode ser armazenada e transferida no regime quântico.

Também é importante lembrar que desempenho, aqui, não depende só de “tamanho”. A estabilidade do estado quântico, a interação entre moléculas e luz e a forma como o dispositivo é fabricado influenciam diretamente se o sistema consegue manter o comportamento coletivo necessário para a vantagem de carregamento.

O que ainda falta para ver baterias quânticas no mercado

Então, se isso é tão promissor, por que ainda não existem baterias quânticas à venda?

O motivo é simples: ainda estamos longe de aplicações do dia a dia. A capacidade das baterias quânticas atuais continua minúscula (na ordem de alguns bilhões de elétron-volts), e o tempo durante o qual conseguem manter a carga é extremamente curto (apenas alguns nanosegundos). Assim, por enquanto, elas são pequenas demais para alimentar dispositivos convencionais como um telemóvel.

Por outro lado, as baterias quânticas podem ser ideais para alimentar dispositivos quânticos, como os próprios computadores quânticos. De facto, elas podem acabar por ser exatamente o que esses computadores precisam para operar em escalas maiores e tornarem-se realmente práticos.

Embora ainda não tenhamos baterias quânticas prontas para uso generalizado, estamos a trabalhar para aumentar a escala do nosso protótipo e prolongar o tempo de retenção de carga. A nossa meta é chegar a um design híbrido que una a velocidade de carregamento excepcional da bateria quântica ao longo tempo de armazenamento de uma bateria clássica.

O progresso que alcançámos também reflete um século inteiro de trabalho teórico desenvolvido por cientistas quânticos antes de nós.

A carga do nosso primeiro protótipo durou nanosegundos. O primeiro voo dos irmãos Wright durou um pouco mais. O avanço tecnológico leva tempo - mas as baterias quânticas já estão no nosso horizonte.

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

Este artigo foi republicado de A Conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.