The next phase of quantum energy science: from mechanisms to applications

على مدى عقود، كان التطبيق الأكثر شهرة لميكانيكا الكم هو التلاعب بالمعلومات. فقد تعلم العلماء كيفية حبس الذرات والدوائر فائقة التوصيل لتعمل كمفاتيح صغيرة، تخزن بتات البيانات في حالات وجود دقيقة يمكن قراءتها أو نسخها أو مسحها. هذا المجال، المعروف باسم علم المعلومات الكمومية، يعامل الحالة الكمومية كوعاء هش يجب الحفاظ عليه سليماً تماماً، مثل منحوتة زجاجية تتحطم إذا لُمست بخشونة. ومع ذلك، فإن الأنظمة الفيزيائية نفسها التي تحمل المعلومات تحمل أيضاً الطاقة. يمكن إثارة ذرة واحدة إلى مستوى طاقة أعلى، لتخزين حزمة من القدرة تماماً كما قد تخزن قطعة من البيانات. الفرق الجوهري هو أنه بينما تتطلب المعلومات غالباً حفظاً مثالياً، فإن الطاقة لا تتطلب ذلك. يمكن للنظام الكمومي أن يفقد تماسك الطور الدقيق الخاص به -الإيقاع المتزامن الذي يجعله مفيداً للحوسبة- ومع ذلك يحتفظ بطاقته المخزنة، جاهزة للإطلاق لاحقاً. وقد أدى هذا الإدراك إلى شرارة طريقة جديدة للتفكير في كيفية تسخير العالم الكمومي، ليس فقط للحوسبة، بل لتزويد الطاقة وتخزينها وتوجيهها بدقة غير مسبوقة.

قام فريق من الباحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤسسات من جميع أنحاء العالم الآن بتنظيم هذه الجهود المتفرقة في مجال متماسك يسمونه "علم الطاقة الكمومية". ينتقل عملهم إلى ما وراء النظر في تطبيقات محددة مثل الألواح الشمسية أو البطاريات النووية، ويركز بدلاً من ذلك على العمليات الأساسية التي يجب أن يؤديها أي نظام طاقة. وهم يقترحون أن كل إدارة الطاقة، سواء كانت في جزيء أو دائرة أو نواة ذرية، تلخص في خمسة إجراءات أساسية: إدخال الطاقة إلى النظام، والاحتفاظ بها، وإخراجها، ونقلها من مكان إلى آخر، وتغييرها إلى شكل مختلف. ومن خلال تفكيك المشكلة إلى هذه الخطوات الأولية، أنشأ الباحثون لغة عالمية تربط بين المجالات المتباينة، من دراسة النباتات الحاصدة للضوء إلى التحكم في التفاعلات النووية.

يجادل الباحثون بأن المفتاح لهذا العلم الجديد هو الهندسة المتعمدة لكيفية تفاعل الحالات الكمومية. في الماضي، كان العلماء غالباً ما يحاربون البيئة، محاولين عزل الأنظمة لمنع تسرب الطاقة بعيداً. ويقترح هذا النهج الجديد أن البيئة يمكن أن تكون أداة. فمن خلال التصميم الدقيق لكيفية اتصال النظام بمحيطه، يمكن للعلماء في الواقع استخدام البيئة لتسريع الشحن، أو حماية الطاقة المخزنة، أو توجيهها إلى وجهة محددة. على سبيل المثال، يمكنهم ترتيب العديد من الذرات لتعمل بشكل جماعي، مما يسمح لها بامتصاص الطاقة بسرعة أكبر بكثير مما يمكنها فعله بمفردها، أو يمكنهم إنشاء حالات "مظلمة" حيث تُحبس الطاقة بأمان، غير مرئية للقنوات التي قد تسمح لها بالهروب عادةً. لا يتعلق الأمر بالحفاظ على حالة كمومية مثالية للأبد؛ بل يتعلق باستخدام قواعد ميكانيكا الكم للتحكم في تدفق القدرة.

لفهم كيفية عمل ذلك، يصف المؤلفون إطار عمل يربط الآليات المجهرية بالقدرات الواقعية. لقد حددوا خمس وظائف أولية. الأولى هي "الإثارة" (Excite)، وهي ببساطة عملية ضخ الطاقة إلى النظام، مثل استخدام الليزر لدفع إلكترون إلى مستوى طاقة أعلى. الثانية هي "الحفظ" (Hold)، والتي تتضمن إبقاء تلك الطاقة هناك دون تسربها. وهذا غالباً ما يكون الجزء الأصعب، حيث تفضل الطبيعة ترك الحالات المثارة تعود إلى حالتها الهادئة منخفضة الطاقة. الثالثة هي "الإطلاق" (Release)، وهو الفتح المحكوم لصمام للسماي بتلك الطاقة المخزنة للقيام بعمل ما. الرابعة هي "النقل" (Transfer)، والتي تنقل الطاقة من جزء من النظام إلى جزء آخر دون أن تغادر حدود النظام أبداً. الوظيفة الأخيرة هي "التحويل" (Transform)، حيث تتغير طبيعة الطاقة، مثل تحويل الضوء إلى كهرباء أو تحفيز تفاعل كيميائي.

هذه الوظائف ليست مجرد مفاهيم نظرية؛ فهي تُختبر في المختبرات باستخدام مواد حقيقية. على المقياس الجزيئي، أظهر الباحثون أنه من خلال وضع الجزيئات داخل تجاويف بصرية صغيرة، يمكنهم إنشاء حالات جماعية تمتص فيها الجزيئات الضوء بكفاءة أكبر بكثير مما لو كانت بمفردها. في إحدى التجارب، تم شحن غشاء من الجزيئات العضوية في أقل من تريليون جزء من الثانية، وهي سرعة تتجاوز بكثير ما هو ممكن للجزيئات الفردية. وأظهر عمل آخر كيفية تخزين الطاقة في حالات جزيئية طويلة الأمد، والحفاظ عليها بأمان لعدة ميكروثوانيات قبل إطلاقها كتيار كهربائي. هذه خطوات صغيرة، لكنها تثبت أن الوظائف الأساسية يمكن هندستها.

يصبح التحدي أكثر تعقيداً عند الانتقال إلى مقياس النواة الذرية. تحتوي النوى على طاقة أكبر بكثير من الإلكترونات، لكنها أيضاً أصعب في الوصول إليها. وبينما يمكن لليزر بسهولة إثارة إلكترون، فإن إثارة نواة غالباً ما يتطلب أشعة سينية عالية الطاقة أو أشعة غاما، وهي صعبة الإنتاج والتحكم. ومع ذلك، يشير الباحثون إلى أن بعض الحالات النووية مستقرة جداً بطبيعتها، وتحتفظ بطاقتها لسنوات أو حتى قرون. الهدف هو إيجاد طريقة لشحن هذه "البطاريات" النووية ثم إطلاق طاقتها عند الطلب. أحد المسارات الواعدة يتضمن استخدام نظير 229Th، الذي يمتلك انتقالاً نووياً عند طاقة منخفضة نسبياً يمكن الوصول إليها بالليزر. وقد أثبت العلماء بالفعل أنه يمكنهم إثارة هذه النواة وأن الطاقة يمكن تخزينها لمئات من الثواني. الخطوة التالية هي معرفة كيفية إطلاق هذه الطاقة بكفاءة، ربما باستخدام الإلكترونات المحيطة في البلورة للمساعدة في تحفيز الإطلاق.

كما يستعرض البحث كيف يمكن دمج هذه الوظائف لإنشاء ثلاث قدرات هندسية رئيسية: التخزين، والتوجيه، والتحويل. التخزين هو القدرة على الاحتفاظ بالطاقة واسترجاعها لاحقاً. وبينما لا تزال البطاريات الكمومية الحالية بعيدة عن استبدال خلايا الليثيوم أيون في هواتفنا، يقترح الباحثون أن التخزين النووي قد يوفر يوماً ما كثافة طاقة أعلى بآلاف المرات من البطاريات الكيميائية، مع القدرة على الاحتفاظ بتلك الطاقة لسنوات دون فقدان. التوجيه هو القدرة على توجيه الطاقة إلى وجهة محددة. في الطبيعة، تعتبر النباتات بارعة في هذا، حيث توجه الطاقة من هوائيات حصاد الضوء إلى مراكز التفاعل بكفاءة شبه مثالية. يعمل الباحثون على تكرار هذا في أنظمة اصطناعية، باستخدام أنماط مشتركة من الضوء أو الاهتزاز لتوجيه الطاقة بين الجزيئات أو حتى بين النوى المغزلية البعيدة. التحويل هو القدرة على تغيير الطاقة من شكل إلى آخر، مثل تحويل الطاقة النووية إلى كهرباء أو توجيه تفاعل كيميائي لإنتاج منتج معين.

يلاحظ المؤلفون بحذر أنه بينما الفيزياء سليمة، فإن الهندسة لا تزال في مهدها. إنهم يقدمون مجموعة من "سيناريوهات التوسع" لتوضيح ما قد يبدو عليه النجاح في العقد أو العقدين القادمين. أحد الاحتمالات هو معالج كمومي يستخدم حوضاً مشتركاً من الطاقة لتشغيل عملياته، مما يقلل من الحاجة إلى الأسلاك المعقدة والتبريد. وهناك أيضاً بطارية نووية يمكنها تزويد مركبة فضائية بالطاقة لعقود، حيث تعيد شحن طاقتها فقط عند الحاجة. هناك أيضاً رؤى لمصانع كيميائية حيث يُستخدم الضوء لتوجيه التفاعلات، مما ينتج المنتج المطلوب فقط ويقضي على الهدر. هذه ليست نتائج مضمونة، لكنها تمثل نوع أهداف الأداء التي ستجعل هذه التكنولوجيا مفيدة حقاً.

ما يجعل هذا العمل مهماً ليس فقط النتائج المحددة، بل الطريقة الجديدة في التفكير التي يقدمها. فمن خلال التركيز على وظائف الطاقة بدلاً من المواد المحددة، أنشأ الباحثون خريطة تربط بين مجتمعات نادراً ما تتحدث مع بعضها البعض. فالعالم الذي يعمل في الخلايا الشمسية، وآخر في الفيزياء النووية، وثالث في الحوسبة الكمومية، قد يكونون جميعاً بصدد حل نفس المشكلة الأساسية: كيفية إدخال الطاقة إلى نظام، والحفاظ عليها هناك، وإخراجها حيث تشتد الحاجة إليها. تتيح هذه اللغة المشتركة لهم التعلم من نجاحات وإخفاقات بعضهم البعض. على سبيل المثال، التقنيات المستخدمة لحماية حالة نووية من التحلل قد تلهم طرقاً جديدة لحماية إلكترون في خلية شمسية.

يتطلب المسار إلى الأمام اختبار هذه الأفكار في ظروف واقعية. تشير النماذج النظرية إلى أن التأثيرات الجماعية يمكن أن تسرع الشحن، لكن الاضطراب والضجيج في العالم الحقيقي قد يتداخلان. ويؤكد الباحثون أن الهدف ليس تحقيق تماسك كمومي مثالي بأي ثمن، بل إيجاد التوازن الصحيح حيث توفر التأثيرات الكمومية ميزة عملية. ويقترحون أن البيئة، التي غالباً ما تُرى كعدو، يمكن هندستها للمساعدة. فمن خلال تشكيل كيفية تفاعل النظام مع محيطه، يمكن للعلماء كبح فقدان الطاقة غير المرغوب فيه أو توجيه الطاقة عبر مسارات محددة. هذا التحول من محاربة الطبيعة إلى العمل معها هو جوهر النهج الجديد.

في نهاية المطاف، يجادل البحث بأن علم الطاقة الكمومية ينضج ليصبح مجالاً متميزاً له أهدافه وأساليبه الخاصة. لم يعد الأمر يتعلق فقط بتطبيق ميكانيكا الكم على مشكلات الطاقة الموجودة؛ بل يتعلق بإعادة تصور كيفية إدارة الطاقة نفسها عند مستواها الأكثر جوهرية. لقد وضع الباحثون إطار عمل يربط العالم المجهري للحالات الكمومية بالعالم الماكروسكوبي للأجهزة المفيدة. وبينما لا تزال الرحلة من المختبر إلى شبكة الطاقة طويلة، فإن الخطوات الأولى قد اتُخذت بالفعل. فمن خلال إتقان وظائف الطاقة الخمس الأساسية، قد تفتح البشرية يوماً ما طرقاً جديدة لتخزين ونقل واستخدام القدرة الكامنة في نسيج المادة نفسه.