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

Decennialang is de meest beroemde toepassing van kwantummechanica de manipulatie van informatie geweest. Wetenschappers hebben geleerd om atomen en supergeleidende circuits te vangen om te fungeren als kleine schakelaars, waarbij bits aan gegevens worden opgeslagen in delicate toestanden van bestaan die kunnen worden uitgelezen, gekopieerd of gewist. Dit veld, bekend als kwantuminformatiewetenschap, behandelt de kwantumtoestand als een breekbaar vat dat perfect intact moet blijven, zoals een glazen sculptuur die verbrijzelt als deze te ruw wordt aangeraakt. Echter, dezelfde fysische systemen die informatie vasthouden, bevatten ook energie. Een enkel atoom kan naar een hoger energieniveau worden geprikkeld, waardoor het een pakketje kracht opslaat, net zoals het een stukje data zou kunnen opslaan. Het cruciale verschil is dat terwijl informatie vaak perfecte bewaring vereist, energie dat niet doet. Een kwantumsysteem kan zijn delicate fasecoherentie verliezen — het gesynchroniseerde ritme dat het nuttig maakt voor computerberekeningen — en toch zijn opgeslagen energie behouden, klaar om later te worden vrijgegeven. Dit inzicht heeft gezorgd voor een nieuwe manier van denken over hoe we de kwantumwereld kunnen benutten, niet alleen om te rekenen, maar om energie met ongekende precisie te voeden, op te slaan en te sturen.

Een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology en instellingen over de hele wereld heeft deze verspreide inspanningen nu georganiseerd in een coherent veld dat zij kwantumenergiewetenschap noemen. Hun werk gaat verder dan het kijken naar specifieke toepassingen zoals zonnepanelen of nucleaire batterijen en richt zich in plaats daarvan op de fundamentele operaties die elk energiesysteem moet uitvoeren. Zij stellen dat alle energiebeheer, of het nu in een molecuul, een circuit of een atoomkern plaatsvindt, terug te brengen is tot vijf basisacties: energie in een systeem krijgen, het vasthouden, het eruit laten, het van de ene naar de andere plek verplaatsen, en het transformeren naar een andere vorm. Door het probleem onder te verdelen in deze elementaire stappen, hebben de onderzoekers een universele taal gecreëerd die uiteenlopende velden verbindt, van de studie van licht oogstende planten tot de controle van kernreacties.

De onderzoekers betogen dat de sleutel tot deze nieuwe wetenschap het doelbewust ontwerpen van de manier waarop kwantumtoestanden interageren is. In het verleden vochten wetenschappers vaak tegen de omgeving, waarbij ze probeerden systemen te isoleren om te voorkomen dat energie weg zou lekken. Deze nieuwe benadering suggereert dat de omgeving een hulpmiddel kan zijn. Door zorgvuldig te ontwerpen hoe een systeem met zijn omgeving verbonden is, kunnen wetenschappers de omgeving daadwerkelijk gebruiken om het opladen te versnellen, de opgeslagen energie te beschermen of deze naar een specifieke bestemming te leiden. Zo kunnen ze bijvoorbeeld veel atomen zo rangschikken dat ze in eenheid werken, waardoor ze energie veel sneller absorberen dan wanneer ze alleen zouden zijn, of ze kunnen "donkere" toestanden creëren waar energie veilig wordt vastgelegd, onzichtbaar voor de kanalen die het normaal gesproken zouden laten ontsnappen. Dit gaat niet over het voor altijd behouden van een perfecte kwantumtoestand; het gaat over het gebruiken van de regels van de kwantummechanica om de energiestroom te controleren.

Om te begrijpen hoe dit werkt, beschrijven de auteurs een kader dat de microscopische mechanismen koppelt aan de mogelijkheden in de echte wereld. Ze identificeren vijf elementaire functies. De eerste is "Excite" (prikkelen), wat simpelweg de handeling is van het in een systeem pompen van energie, zoals het gebruik van een laser om een elektron naar een hoger energieniveau te duwen. De tweede is "Hold" (vasthouden), wat inhoudt dat die energie daar wordt gehouden zonder dat het weglekt. Dit is vaak het moeilijkste deel, aangezien de natuur de voorkeur geeft aan het laten relaxeren van aangeslagen toestanden naar hun rustige, lage energietoestand. De derde is "Release" (vrijgeven), het gecontroleerd openen van een klep om die opgeslagen energie te laten vrijkomen om werk te verrichten. De vierde is "Transfer" (overdragen), die energie van het ene deel van een systeem naar een ander deel beweegt zonder dat het ooit het systeemgrensvlak verlaat. De laatste functie is "Transform" (transformeren), waarbij de energie van aard verandert, zoals het omzetten van licht in elektriciteit of het triggeren van een chemische reactie.

Deze functies zijn niet louter theoretische concepten; ze worden in laboratoria getest met echte materialen. Op moleculaire schaal hebben onderzoekers aangetoond dat door moleculen in kleine optische holtes te plaatsen, ze collectieve toestanden kunnen creëren waarbij de moleculen veel efficiënter licht absorberen dan ze dat op hun eigen kunnen zouden doen. In één experiment werd een film van organische moleculen opgeladen in minder dan een biljardste part van een seconde, een snelheid die veel groter is dan wat mogelijk is met individuele moleculen. Ander werk heeft aangetoond hoe energie kan worden opgeslagen in langdurige moleculaire toestanden, waarbij de energie microseconden lang veilig wordt gehouden voordat deze als een elektrische stroom wordt vrijgegeven. Dit zijn kleine stappen, maar ze bewijzen dat de basisfuncties kunnen worden ontworpen.

De uitdaging wordt nog complexer wanneer men overgaat naar de schaal van de atoomkern. Kernen bevatten veel meer energie dan elektronen, maar ze zijn ook veel moeilijker te bereiken. Terwijl een laser gemakkelijk een elektron kan prikkelen, vereist het prikkelen van een kern vaak hoogenergetische röntgenstraling of gammastraling, die moeilijk te produceren en te controleren zijn. De onderzoekers wijzen er echter op dat sommige kerntoestanden van nature zeer stabiel zijn en hun energie jaren of zelfs eeuwenlang vasthouden. Het doel is om een manier te vinden om deze nucleaire "batterijen" te laden en die energie vervolgens op aanvraag vrij te geven. Eén veelbelovende route betreft het 229Th-isotoop, dat een nucleaire transitie heeft bij een relatief lage energie die met lasers kan worden bereikt. Wetenschappers hebben al aangetoond dat ze deze kern kunnen prikkelen en dat de energie honderden seconden kan worden vastgehouden. De volgende stap is uitzoeken hoe die energie efficiënt kan worden vrijgegeven, bijvoorbeeld door de omliggende elektronen in het kristal te gebruiken om de vrijgave te triggeren.

Het artikel verkent ook hoe deze functies gecombineerd kunnen worden om drie belangrijke technische mogelijkheden te creëren: opslag, routering en conversie. Opslag is het vermogen om energie te bewaren en deze later terug te halen. Hoewel huidige kwantumbatterijen nog lang niet de lithium-ion cellen in onze telefoons zullen vervangen, suggereren de onderzoekers dat nucleaire opslag op een dag een energiedichtheid kan bieden die duizenden malen hoger is dan chemische batterijen, met het vermogen om die energie jarenlang zonder verlies vast te houden. Routering is het vermogen om energie naar een specifieke bestemming te leiden. In de natuur zijn planten meesters in dit proces; ze leiden energie van licht-oogstende antennes naar reactiecentra met bijna perfecte efficiëntie. De onderzoekers werken eraan om dit in kunstmatige systemen te repliceren, door gebruik te maken van gedeelde modi van licht of trilling om energie tussen moleculen of zelfs tussen verre nucleaire spins te leiden. Conversie is het vermogen om energie van de ene vorm naar de andere te veranderen, zoals het omzetten van nucleaire energie in elektriciteit of het sturen van een chemische reactie om een specifiek product te produceren.

De auteurs merken er voorzichtig bij op dat hoewel de fysica klopt, het engineeringproces nog in de kinderschoenen staat. Ze presenteren een reeks "stretch scenario's" om te illustreren wat succes zou kunnen betekenen in de komende tien of twintig jaar. Eén mogelijkheid is een kwantumprocessor die een gedeelde energiebron gebruikt om zijn operaties aan te drijven, wat de noodzaak voor complexe bedrading en koeling vermindert. Een andere is een nucleaire batterij die een ruimtevaartuig decennia lang van stroom kan voorzien, waarbij de energie alleen wordt bijgeladen wanneer dat nodig is. Er zijn ook visies op chemische fabrieken waar licht wordt gebruikt om reacties te sturen, waardoor alleen het gewenste product wordt geproduceerd en afval wordt geëlimineerd. Dit zijn geen gegarandeerde uitkomsten, maar ze vertegenwoordigen de soorten prestatiedoelen die de technologie werkelijk bruikbaar zouden maken.

Wat dit werk belangrijk maakt, is niet alleen de specifieke resultaten, maar de nieuwe manier van denken die het biedt. Door zich te richten op de functies van energie in plaats op de specifieke materialen, hebben de onderzoekers een kaart gecreëerd die gemeenschappen verbindt die zelden met elkaar spreken. Een wetenschapper die werkt aan zonnecellen, een andere aan kernfysica, en een derde aan kwantumcomputers kunnen allemaal hetzelfde fundamentele probleem oplossen: hoe krijg je energie in een systeem, hoe houd je het daar, en hoe krijg je het eruit waar het nodig is. Deze gedeelde woordenschat stelt hen in staat om van elkaars successen en fouten te leren. Zo kunnen de technieken die worden gebruikt om een kernen toestand te beschermen tegen verval, nieuwe manieren inspireren om een elektron in een zonnecel te beschermen.

De weg vooruit zal vereisen dat deze ideeën onder realistische omstandigheden worden getest. Theoretische modellen suggereren dat collectieve effecten het opladen kunnen versnellen, maar imperfecties en ruis in de echte wereld kunnen hiermee interfereren. De onderzoekers benadrukken dat het doel niet is om overal te streven naar perfecte kwantumcoherentie, maar om het juiste evenwicht te vinden waarbij kwantumeffecten een praktisch voordeel bieden. Ze suggereren dat de omgeving, die vaak als vijand wordt gezien, kan worden ingezeld. Door vorm te geven aan hoe een systeem met zijn omgeving interageert, kunnen wetenschappers ongewenste energieverlies onderdrukken of energie langs specifieke paden leiden. Deze verschuiving van het bevechten van de natuur naar het samenwerken met de natuur is de kern van de nieuwe aanpak.

Uiteindelijk betoogt het artikel dat kwantumenergiewetenschap volwassen wordt als een apart vakgebied met eigen doelen en methoden. Het gaat niet langer alleen om het toepassen van kwantummechanica op bestaande energieproblemen; het gaat om het herontwerpen van hoe energie zelf kan worden beheerd op het meest fundamentele niveau. De onderzoekers hebben een kader geschetst dat de microscopische wereld van kwantumtoestanden verbindt met de macroscopische wereld van nuttige apparaten. Hoewel de reis van het laboratorium naar het elektriciteitsnet lang is, worden de eerste stappen gezet. Door de vijf elementaire functies van energie te beheersen, kan de mensheid op een dag nieuwe manieren ontsluiten om de kracht die in de materie zelf verborgen ligt, op te slaan, te verplaatsen en te gebruiken.