دراسة تُحقق تقدمًا كبيرًا في بطاريات الكم.. خطوة هائلة نحو ثورة تكنولوجية

عندما نفكر في شحن البطارية، نتخيل عادةً أن الشحن يتدفق في اتجاه واحد. على سبيل المثال، عندما نشحن هواتفنا الذكية في الليل، نفكر في أن الشحن يتدفق من المنفذ إلى بطارية الهاتف.

في حين أن هذا صحيح في فيزياءنا الكلاسيكية اليومية، فإنه ليس الحال في نظام الكم. "عندما تتعامل مع الكم، فإن تدفق الطاقة يكون متماثلًا"، يوضح الدكتور شابير بارزانجه، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء بجامعة كالغاري.

"تتأرجح الطاقة ذهابًا وإيابًا بين الشاحن والبطارية".

كلما صغر الحجم، زادت مشكلة هذا التماثل. على المستويات الدقيقة والنانوية، يمكن أن يقلل بشكل كبير من كفاءة عملية الشحن. هذه هي المستويات التي يركز عليها بارزانجه أبحاثه.

"تمامًا مثل الآلات الكلاسيكية، يمكن استخدام العديد من الأجهزة الدقيقة والنانوية لالتقاط وتخزين الطاقة"، يوضح بارزانجه. "التعامل مع عدم كفاءة تدفق الطاقة المتماثل هو عائق في بناء بطاريات أصغر يمكنها تخزين المزيد من الطاقة".

درس بارزانجه هذا التحدي لفترة طويلة. الآن، في ورقة بحثية رائدة نُشرت في مجلة فيزيكال ريفيو ليترز، قام هو وزملاؤه بخطوات واعدة نحو الحل. تم اختيار الورقة كمقالة بارزة من قبل المحرر، وتمثل تقدمًا كبيرًا في معالجة بعض هذه القضايا المتعلقة بالتصغير.

تعتمد العملية الجديدة — التي اقترحها بارزانجه وزملاؤه من جامعة غدانسك بورهان أحمدي، باول مازورك، وباول هوروديكي — على كسر تماثل الانعكاس الزمني من خلال عدم التبادلية.

دعونا نلقي نظرة أقرب على هذه المفاهيم الكمومية.

تماثل الانعكاس الزمني: للأمام والخلف
في تماثل الانعكاس الزمني، يكون الكائن أو العملية هي نفسها إذا تم تجربتها في أي من الاتجاهين. على سبيل المثال، فيلم يتم تشغيله للأمام والخلف هو في الأساس نفس مجموعة الصور والأصوات. وبالمثل، يمر نقل الطاقة بنفس العملية إذا كانت تتدفق من المنفذ إلى البطارية، أو من البطارية إلى المنفذ.

معظم الأنظمة في الطبيعة تخضع لتماثل الانعكاس الزمني، وهذا هو الطريقة التي نفكر بها في عمل العالم: يمكننا الدخول إلى غرفة أو الخروج منها، السفر إلى وجهة ثم العودة منها، وهكذا.

عدم التبادلية: طريق ذو اتجاه واحد
يحدث عدم التبادلية عندما يتم كسر تماثل الانعكاس الزمني. فجأة، يمكن أن تتكشف العملية في اتجاه واحد فقط، ولا يمكن أن تكون العكس. تخيل فيلمًا يختفي تمامًا إذا حاولت تشغيله للخلف، أو غرفة يمكنك الدخول إليها ولكن لا يمكنك الخروج منها.

مبدأ عدم التبادلية كان منذ فترة طويلة أداة أساسية في تطبيقات تكنولوجيا الكم المختلفة. من خلال تمكين تدفق الإشارات والطاقة في اتجاه واحد، فإنه يثبط فعليًا "الضوضاء" التي تتداخل غالبًا مع الأنظمة الكمومية.

تم تطبيق هذه التقنية لعزل الأنظمة والمعلومات لتمكين الحوسبة الكمومية والقياسات فائقة الحساسية مع الساعات الذرية، وأكثر من ذلك. ولكن لم يتم تطبيقها بشكل فعال على بطاريات الكم — حتى الآن.

تطبيق عدم التبادلية على البطاريات
تثبت أعمال بارزانجه والورقة الناتجة عن القدرة على استخدام عدم التبادلية في الشحن واستغلال بطاريات الكم. "في النظام غير التبادلي، تتدفق كل الطاقة في اتجاه واحد، لذا لا يوجد تدفق عكسي"، يشرح.

في السعي لتصغير البطاريات للآلات الدقيقة والنانوية، من المتوقع أن تساعد هذه العملية بطرق مهمة. أولًا، يمكن أن تمكن من بطاريات أكثر كفاءة من حيث الشحن وسعة التخزين. ثانيًا، يمكن أن تدفع إلى مزيد من تقليص حجم البطاريات. كلا التطورين سيساهمان في التحسين المستمر للحوسبة الكمومية والآلات النانوية.

"من المثير القيام بالبحث في جامعة حيث نحن نقود الطريق في العديد من الاكتشافات والابتكارات الكمومية"، يقول بارزانجه. "نحن حقًا نشهد تحقيق جامعة كالغاري لإمكاناتها كابتكار في الكم، ومن الرائع أن تكون جزءًا من ذلك."

تحسين وضع البطاريات على نطاق الشبكة عبر الحوسبة الكمومية

برنامج تجريبي للحوسبة، يقام داخل أكبر مرفق للكهرباء في أوروبا، إيبردرولا، وجد أن بعض الخوارزميات الكمومية والمستوحاة من الكم تفوقت على المعايير الحالية لوضع البطاريات الأمثل على الشبكة.

جربت شركة الطاقة الإسبانية إيبردرولا الحوسبة الكمومية لتحسين وضع البطاريات الكبيرة في الشبكة من حيث التكلفة، والتحكم في الجهد، والموثوقية. تعتبر نمذجة الشبكات الكبيرة وعناصر الطاقة المتجددة والتخزين مهامًا شاقة للحوسبة الكلاسيكية.

برنامج تجريبي لمدة 10 أشهر بين شركة التوزيع التابعة لإيبردرولا في إسبانيا، وشركة برامج الحوسبة الكمومية Multiverse Computing، انتقل من الشبكات الصغيرة إلى التركيز على شبكة كهرباء Gipuzkoa في إقليم الباسك، في شمال إسبانيا. كان المشروع أيضًا جزءًا من برنامج الكم لإقليم Gipuzkoa.

عدلت شركة Multiverse Computing الخوارزميات لتعمل على جهاز تقوية الكم، وهو نوع من أجهزة الحاسوب الكمومية، وعلى الأجهزة الكلاسيكية، لاختبار حلول التحسين. ركز التقرير الخاص بالشركة على تحقيق تحسينات في بطاريات الشبكة في ثلاثة مجالات رئيسية: التكلفة الأولية، التحكم في الجهد، والموثوقية.

عند التحسين على التكاليف، على سبيل المثال، كان الهدف هو تقليل تكلفة شراء وتركيب البطاريات المتعددة في الشبكة. بالنسبة للموثوقية، كان الهدف هو تقليل تأثير انقطاعات الطاقة على عملاء الشبكة.

يظهر مقطع فيديو من الشركات أن ملفات Matlab من نماذج الشبكة يتم تحميلها، وتشتمل معايير الإدخال على حجم البطارية وسعتها. ثم يتم وزن تفضيلات وضع البطاريات، وعوامل التكلفة، والموثوقية، والتحكم في الجهد بناءً على الاحتياجات. يمكن للخوارزميات المختلفة بعد ذلك معالجة الأرقام لتقديم التوزيع الأمثل للبطاريات وتحديد حجمها، مع ادعاء Multiverse أن المعالجة تتم "في غضون ثوان".

لم يتم تقديم بيانات دقيقة عن الأداء، ومع ذلك، ادعت Multiverse في الفيديو أن التطبيق أسرع وأقل تكلفة للاستخدام، ولكن الحلول كانت أكثر موثوقية بنسبة 10% بشكل عام.

قال الرئيس التنفيذي لشركة Multiverse Computing، إنريكي ليزاسو أولموس: "بفضل قوة الحوسبة الكمومية، يمكن للمؤسسات الخاصة والعامة تحقيق أهداف الاستدامة مع توفير التكاليف الثابتة والمتغيرة على حد سواء."

قالت استيباليس غوني، مديرة العمليات والتكنولوجيا في i-DE: "إن نتائج هذا المشروع التجريبي مشجعة، وسنواصل استكشاف نشر هذه التكنولوجيا."

الأساليب الكمومية

تستخدم الحوسبة الكمومية الكيوبتات لتخزين ومعالجة المعلومات، مما يضيف العديد من المزايا المحتملة على نمط الحوسبة الكلاسيكية حيث تستخدم البتات. يمكن للكيوبتات أن توجد في حالات متعددة في نفس الوقت، مما يسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء الحسابات بالتوازي. وهذا يزيد بشكل كبير من القدرة على حل المشكلات المعقدة التي قد تتطلب سابقًا أجهزة كمبيوتر فائقة، حيث يتطلب العديد من التريليونات من الحسابات.

تستقصي كيانات أخرى أيضًا إذا كانت الحوسبة الكمومية يمكن أن تساعد في إدارة الشبكة المتطورة باستمرار. على سبيل المثال، يتعاون مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) في الولايات المتحدة مع شركة الحوسبة الكمومية IonQ للمساعدة في حل تحديات شبكة الطاقة ودفع تحسينات البنية التحتية. بالإضافة إلى ذلك، كان ORNL يستخدم الحوسبة الكمومية لتقييم فيزياء الكم في الخلايا الشمسية، لتحديد المواد المحتملة لخلايا شمسية أكثر كفاءة.

حفاظاً على حقوق الملكية الفكرية يرجى عدم نسخ ما يزيد عن 20 في المئة من مضمون الخبر مع ذكر اسم موقع Dailybeirut وارفاقه برابط الخبر.

دايلي بيروت