Des chercheurs australiens ont mis au point le premier prototype de batterie quantique à cycle de charge complet au monde, un concept proposé depuis plus de dix ans. Ce type de batterie a le potentiel d’être beaucoup plus efficace que les batteries conventionnelles en raison de leur grande rapidité de charge. Le prototype s’est chargé en quelques femtosecondes à distance grâce à un laser spécialisé, ouvrant des perspectives de recherche pour des systèmes de stockage énergétiques plus performants.
Les technologies quantiques tirent leur potentiel de caractéristiques qui défient l’intuition par rapport à leurs homologues classiques. Si les efforts de recherche se sont principalement concentrés sur les ordinateurs quantiques, d’autres voies suscitent un intérêt croissant, notamment les capteurs, les simulateurs et les batteries quantiques. Dans tous les cas, l’avantage quantique repose sur l’intrication, propriété selon laquelle des particules présentent des corrélations indépendantes de la distance qui les sépare.
Proposé pour la première fois en 2013, le concept de batterie quantique s’appuie sur l’intrication pour induire des effets collectifs augmentant le couplage effectif entre la batterie et sa source d’énergie. En d’autres termes, ce type de batterie fonctionnerait plus efficacement lorsqu’elles sont rassemblées plutôt qu’individuellement. Contrairement aux batteries classiques, elles se chargent ainsi plus efficacement et plus rapidement ensemble que séparément.
« Supposons que votre batterie quantique possède N unités de stockage, et que chaque unité mette une seconde à se charger. Grâce à l’effet collectif, si toutes les unités sont chargées simultanément, chacune ne mettra que 1/√N seconde à se charger », explique James Quach, responsable scientifique de l’équipe des batteries quantiques au Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), en Australie, dans un article publié dans The Conversation.
« Cela signifie que plus votre batterie quantique est grande, moins elle met de temps à se charger. Si sa taille double, le temps de charge sera à peine plus de la moitié plus court », précise-t-il. Ce comportement diffère radicalement de celui des batteries classiques, dont la rapidité de charge diminue à mesure que leur taille augmente.
Cependant, malgré des recherches croissantes, très peu d’expériences sur les batteries quantiques ont été menées jusqu’ici. En outre, ces travaux se sont principalement concentrés sur des propriétés isolées, sans qu’aucune ne démontre jusqu’à présent le fonctionnement complet d’une telle batterie.
Quach et ses collègues ont mis au point le premier prototype de batterie quantique capable d’effectuer un cycle de charge complet, incluant charge, stockage et décharge. « Nos résultats confirment un effet quantique fondamental, totalement contre-intuitif : les batteries quantiques se chargent plus vite lorsqu’elles sont plus grandes. Les batteries actuelles ne fonctionnent pas ainsi. Ces travaux confirment le potentiel prometteur des batteries quantiques pour un stockage d’énergie d’une efficacité et d’une rapidité sans précédent », a déclaré le chercheur dans un communiqué du CSIRO.
Première preuve de faisabilité d’un cycle de charge complet
Quach et ses collègues avaient déjà mis au point un premier prototype de batterie quantique en 2022, en utilisant une microcavité organique, un dispositif multicouche complexe composé de plusieurs matériaux et capable de piéger la lumière de manière spécifique. Cela leur a permis de démontrer le potentiel de charge rapide des batteries quantiques, conformément aux prédictions théoriques.
Plus précisément, l’équipe a montré que le temps de charge diminue selon 1/√N, N représentant le nombre de cellules de la batterie. Ainsi, plus le nombre de cellules est élevé, plus la batterie se charge rapidement. Toutefois, si cette version pouvait effectivement se charger plus vite, il n’était pas encore possible de la décharger ni d’extraire l’énergie stockée.
Pour surmonter cette limite, les chercheurs ont ajouté des couches supplémentaires afin de convertir l’énergie en courant électrique, dans le cadre de la nouvelle étude publiée dans la revue Light: Science & Applications. Les résultats montrent que la batterie améliorée se charge en quelques femtosecondes grâce à un laser et stocke l’énergie pendant des nanosecondes, soit environ six ordres de grandeur supplémentaires.
Selon Quach, si l’on transpose ce gain à une batterie mettant initialement une minute à se charger, ces six ordres de grandeur impliqueraient qu’elle resterait chargée pendant « quelques années », rapporte le Guardian. Toutefois, mis à part la durée de stockage d’énergie encore limitée, le nouveau prototype ne dispose que d’une capacité de quelques milliards d’électronvolts, insuffisante à ce stade pour alimenter un dispositif.
Néanmoins, la démonstration d’un cycle de charge complet constitue une étape importante vers des batteries quantiques utilisables. « Bien que nous ne disposions pas encore de batteries quantiques opérationnelles, nous travaillons actuellement à augmenter la taille de notre prototype et à prolonger son autonomie. Nous espérons concevoir une architecture hybride combinant la vitesse de charge des batteries quantiques et la durée de stockage des batteries classiques », écrit Quach dans The Conversation.
À terme, le chercheur envisage des applications telles que la recharge instantanée de voitures électriques en circulation ou de drones en plein vol. Ces batteries pourraient également alimenter des ordinateurs quantiques ou des appareils électroniques conventionnels, tels que les smartphones.
Source : Light: Science & Applications
Premier prototype :