Πώς οι κβαντικές καινοτομίες μετασχηματίζουν την καθαρή ενέργεια – Τι δείχνει το φετινό Νόμπελ Φυσικής

John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis (ο τελευταίος μάλιστα εσφαλμένα θεωρήθηκε ελληνικής καταγωγής, κάτι το οποίο και διέψευσε) τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής την Τρίτη στη Σουηδία, για την απόδειξή τους ότι δύο ιδιότητες της κβαντομηχανικής, οι φυσικοί νόμοι που διέπουν το υποατομικό πεδίο, μπορούν να παρατηρηθούν σε ένα σύστημα αρκετά μεγάλο ώστε να είναι ορατό με γυμνό μάτι.

«Δεν υπάρχει προηγμένη τεχνολογία σήμερα που να μην βασίζεται στην κβαντομηχανική», δήλωσε ο Όλε Έρικσον, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Φυσικής, κατά την ανακοίνωση του βραβείου. Οι ανακαλύψεις των βραβευθέντων, πρόσθεσε, άνοιξαν το δρόμο για τεχνολογίες όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι κάμερες και τα καλώδια οπτικών ινών.

Βοήθησε επίσης να τεθούν οι βάσεις για τις τρέχουσες προσπάθειες κατασκευής ενός κβαντικού υπολογιστή, μιας συσκευής που θα μπορούσε να υπολογίζει και να επεξεργάζεται πληροφορίες με ταχύτητες που δεν θα ήταν δυνατές με τους κλασικούς υπολογιστές.

Ο ρόλος της κβαντομηχανικής

Καθώς ο τομέας της κβαντικής φυσικής γίνεται πιο εξελιγμένος και οι επιστήμονες κατανοούν ολοένα και καλύτερα την κβαντομηχανική, οι ερευνητές ανακαλύπτουν όλο και περισσότερους τρόπους για να βελτιστοποιήσουν και να επαναπροσδιορίσουν τον ενεργειακό τομέα. Η κβαντική υπολογιστική όχι μόνο μπορεί να αυξήσει σημαντικά την αποδοτικότητα για ενεργοβόρους τομείς όπως η τεχνητή νοημοσύνη, αλλά και η κβαντική φυσική μπορεί να ξεκλειδώσει κάθε είδους διαδικασίες παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας που κάποτε ήταν πολύ έξω από τη σφαίρα των δυνατοτήτων. 

Η ανακάλυψη στο Τόκιο

Όπως επισημαίνει το oilprice.com, μία από τις πιο πρόσφατες ανακαλύψεις αυτού του τύπου είναι μια νέα μορφή συλλέκτη ενέργειας που επινοήθηκε από μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Επιστημών του Τόκιο. 

Ένας συλλέκτης ενέργειας είναι μια μορφή τεχνολογίας που συλλαμβάνει ενέργεια από το περιβάλλον και τη μετατρέπει σε αξιοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Μια τέτοια συσκευή θα μπορούσε να ανακτήσει την ενέργεια που χάνεται λόγω της θερμότητας που προέρχεται από ηλεκτρονικά και βιομηχανικά μηχανήματα. Θα μπορούσε ακόμη και να αναβαθμιστεί για να ανακτήσει θερμότητα από συστήματα πλήρους κλίμακας, όπως σταθμοί παραγωγής ενέργειας και εργοστάσια. 

Οι περιορισμοί της θερμοδυναμικής

Ενώ η ιδέα της συλλογής της απορριπτόμενης θερμότητας δεν είναι καινούργια, η αποτελεσματικότητά της έχει επίσης αντιμετωπίσει κρίσιμους περιορισμούς λόγω των νόμων της θερμοδυναμικής. Ωστόσο, η ομάδα επιστημόνων στο Ινστιτούτο Επιστημών του Τόκιο ανακάλυψε έναν τρόπο να παρακάμψει αυτά τα αποδεκτά θερμοδυναμικά όρια μέσω της χρήσης κβαντικών καταστάσεων που δεν υφίστανται τυπικές διαδικασίες θερμοποίησης.

«Αυτό σημαίνει ότι όταν εισάγεται θερμότητα, το σύστημα διατηρεί την μη θερμική, υψηλής ενέργειας κατάστασή του αντί να κατανέμει την ενέργεια ομοιόμορφα, όπως συμβαίνει σε ένα συμβατικό θερμικό σύστημα», αναφέρει η SciTech Daily. «Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο ενεργειακά αποδοτικά ηλεκτρονικά και σε μελλοντική πρόοδο στην κβαντική υπολογιστική», συνεχίζει η έκθεση.

Στο ΜΙΤ

Αυτή είναι μόνο η τελευταία σε μια σειρά από σημαντικές ανακαλύψεις για πιο ενεργειακά αποδοτικά ηλεκτρονικά χάρη στην κβαντική φυσική. Ερευνητές στο MIT ανακοίνωσαν πρόσφατα ότι ανακάλυψαν μια μέθοδο για την παρατήρηση της λεγόμενης «κατάστασης άκρου» των ηλεκτρονίων που έχει ως αποτέλεσμα την έλλειψη απώλειας ενέργειας, γνωστή ως κβαντικό φαινόμενο Hall, με τεράστιες ανατρεπτικές δυνατότητες για τον τεχνολογικό τομέα. 

Σύμφωνα με ρεπορτάζ του Interesting Engineering, «μια τέτοια κίνηση ηλεκτρονίων χωρίς τριβή μπορεί να επιτρέψει τη μεταφορά δεδομένων και ενέργειας μεταξύ συσκευών χωρίς απώλειες μετάδοσης, οδηγώντας στην ανάπτυξη υπεραποδοτικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και κβαντικών υπολογιστών».

Κβαντικές μπαταρίες

Υπάρχει επίσης σημαντική κινητικότητα στον τομέα των κβαντικών μπαταριών , οι οποίες θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν τη δύναμη της κβαντικής φυσικής για να φορτίζουν πολύ, πολύ πιο γρήγορα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου που τροφοδοτούν σήμερα τον κόσμο μας.

 Οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν ακόμη και να συλλέγουν ενέργεια απευθείας από πηγές φωτός, καθώς αποθηκεύουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων αντί για ιόντα και ηλεκτρόνια. Ορισμένες έρευνες δείχνουν ακόμη ότι οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν, παραδόξως, να εκπέμπουν περισσότερη ενέργεια από ό,τι αποθηκεύουν εάν μοιράζονται μια κβαντική κατάσταση με τη συσκευή στην οποία παρέχουν ενέργεια.

Αναζητώντας λύσεις για την Τεχνητή Νοημοσύνη

Ενώ η κβαντική φυσική και η κβαντομηχανική εξακολουθούν να είναι αναδυόμενοι τομείς που οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να παρατηρούν και να κατανοούν, υπάρχει ήδη μεγάλη ελπίδα ότι η αξιοποίηση των κβαντικών καταστάσεων μπορεί να λύσει μερικές από τις μεγαλύτερες κρίσεις στον κόσμο, ειδικά όσον αφορά τον ενεργειακό τομέα. 

Οι επιστήμονες εξετάζουν πώς η κβαντική υπολογιστική μπορεί να λύσει την ενεργειακή κρίση της τεχνητής νοημοσύνης και να σώσει το Bitcoin από το διαρκώς αυξανόμενο οικολογικό του αποτύπωμα. Θεωρητικά, η κβαντική υπολογιστική θα μπορούσε να είναι πολύ, πολύ πιο κατάλληλη για αυτές τις διαδικασίες - επίλυση προβλημάτων απόδειξης εργασίας για την εξόρυξη Bitcoin και την επεξεργασία τεχνητής νοημοσύνης - από ακόμη και τους πιο εξελιγμένους από τους σημερινούς υπερυπολογιστές.

«Ένας αγώνας δρόμου έχει ξεκινήσει σε όλη τη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό χώρο για να εκπληρωθεί η υπόσχεση της κβαντικής υπολογιστικής, μιας παράξενης και ισχυρής τεχνολογίας», έγραψαν αυτή την εβδομάδα οι New York Times στο πλαίσιο του αφιερώματός του τους για το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2025. Η τεράστια δύναμη του πεδίου μπορεί να είναι τόσο τρομακτική όσο και συναρπαστική. «Ένας πραγματικός κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να επιταχύνει την πρόοδο της ανακάλυψης φαρμάκων ή άλλης επιστημονικής έρευνας. Θα μπορούσε επίσης να σπάσει την κρυπτογράφηση που προστατεύει υπολογιστές ζωτικής σημασίας για την εθνική ασφάλεια». 

Γιατί έλαβαν το βραβείο;

Οι τρεις επιστήμονες αναγνωρίστηκαν για μια σειρά πειραμάτων που διεξήγαγαν το 1984 και το 1985. Απέδειξαν την ύπαρξη δύο κβαντικών φαινομένων σε ένα σύστημα ορατό στο ανθρώπινο μάτι.

Οι αρχές της κβαντομηχανικής περιγράφουν τις παράξενες ιδιότητες και συμπεριφορές μεμονωμένων ή μικρών συλλογών στοιχειωδών σωματιδίων. Σε μια τέτοια συμπεριφορά, ένα σωματίδιο μπορεί να κινηθεί μέσα από ένα φράγμα ακόμα κι αν δεν έχει αρκετή ενέργεια για να το κάνει. Αυτό ονομάζεται κβαντική σήραγγα και έχει επιβεβαιωθεί μόνο σε πολύ μικρή κλίμακα.