بطارية كمومية

الشحنة الكهربائية كمية مراوغة. يمكننا قياس الشحنة الكلية للكون أو شحنة جسيم منفرد، لكن محاولة الإشارة بإصبعنا: "هنا، في هذا السنتيمتر المكعب، توجد الآن كذا من الشحنة" — تصطدم بعائق أساسي. السبب هو أن الشحنة الكلية، التي يُرمز لها في الفيزياء بالحرف Q، كمية غير موضعية. هذا يشبه محاولة تحديد أين بالضبط تولد الأوركسترا اللحن: فهو موزع على كامل المجموعة وغير مرتبط بنقطة محددة.

الرنان الفارغ ليس فارغًا تمامًا. حتى في الفراغ المطلق، حيث لا يوجد فوتون واحد فوتون - وهو كم الضوء - توجد تقلبات كمومية: ولادة واختفاء مستمران لجسيمات افتراضية. هذا يشبه تموجات على سطح الماء في هدوء تام: يبدو السطح أملسًا، لكن الجزيئات تستمر في الاهتزاز. تعلم الفيزيائيون تحويل هذا الاهتزاز إلى موجات حقيقية - فوتونات حقيقية.

أي بطارية — من بطارية الإصبع إلى البطارية الكمومية — بسيطة في جوهرها: هناك مخزون من الطاقة، وهناك طريقة لاستخراجها. في العالم الكمومي، تبدو هذه "الطريقة" كانقلاب دقيق بين حالات الجسيم، يشبه نقل كرة من رف مرتفع إلى رف منخفض. لكن إذا كانت الرفوف كثيرة وموزعة بشكل معقد، فقد يبقى جزء من الطاقة محبوسًا — تقريبًا مثل الماء في أنبوب منحنٍ لا يمكن تفريغه بالكامل دون إمالة البنية بأكملها.

في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، تشبه الآلات الحرارية خطاطًا ماهرًا: كلما اقترب من الكمال (كفاءة كارنو)، كلما تباطأت سرعته (القدرة).

تخيل بندولين معلقين على خيط مشترك: ادفع أحدهما، وسيبدأ الآخر بالتأرجح، وبعد لحظة يتلقى الأول دفعة استجابة. في ذرة الثوريوم-229 يحدث شيء مشابه: الطاقة تنتقل بين الغلاف الإلكتروني والنواة تقريبًا دون فقدان.

الفراغ ليس فارغًا تمامًا أبدًا. في الفضاء المنحني — مثل الكون المتوسع أو بالقرب من ثقب أسود — يسخن الفراغ. هذا يشبه الموقف الذي يجعل فيه التسارع الجسيمات تظهر وكأنها من لا شيء: وهي ظاهرة تُعرف بالإشعاع الحراري للفراغ. بنى الفيزيائيون نموذجًا لبطارية كمومية تلتقط هذه الحرارة. البطارية عبارة عن كاشف صغير يتحرك بتسارع عبر حقل كمومي. في العمل، تم النظر في نوعين من الفضاءات المنحنية.

بطارية الليثيوم تشبه مدينة صغيرة: أيونات الليثيوم هي السكان الذين ينتقلون بين أحياء الأقطاب الكهربائية، مولّدين التيار. لكن لفهم كمية الطاقة التي يمكن أن تقدمها المدينة، لا يكفي معرفة تخطيط الشوارع (بنية المادة) فحسب، بل أيضًا كيفية تفاعل السكان مع الجيران ووسائل النقل وحتى الطقس. في فيزياء البطاريات، يُطلق على هذا اسم التبادل مع الخزانات — الإلكترونية والأيونية والحرارية.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

تستخدم البطاريات الكمومية التأثيرات الكمومية لتجاوز الحدود التي تواجهها الأجهزة التقليدية والمرتبطة بـ الإنتروبيا — أي مقياس الفوضى وفقدان الطاقة. يمكن تشبيه ذلك بدلوٍ تحت تيار ماء قوي: يمتلئ بسرعة هائلة. لكنّ الدلو مثقوب: فالبيئة المحيطة تمتص الطاقة باستمرار. أدرك العلماء أنه بدلاً من سد الثقوب، يمكن جعل الماء غير مرئي لها.

تفقد البطاريات التقليدية شحنتها كما يبرد الشاي. تعمل البطارية الكمومية بشكل مختلف: قلبها تجويف صغير يضم فوتونات متأرجحة. إذا تم تعريضها لأزواج خاصة من الفوتونات، تتدفق الطاقة إلى سلسلة خلايا الكيوبت في لمح البصر — تمامًا كما تتسارع الأرجوحة بدفعات قوية.

البطارية العادية في الهاتف تخزن الطاقة في الروابط الكيميائية — ببطء، مع حرارة وتآكل. المكثف الكمومي يعمل بشكل مختلف: فهو لا يُشحن بالمادة، بل بالإيقاع. الأرجوحة التي تتأرجح بتناغم مع الدفعات تخزن الطاقة في الحركة نفسها، دون احتكاك.

البطارية الكمومية ليست صندوقًا يحتوي على مواد كيميائية، بل سلسلة من المغناطيسات الصغيرة (السبينات) قادرة على تخزين الطاقة. حيلتها الرئيسية: شحن العديد من الجسيمات في وقت واحد باستخدام التشابك الكمومي (quantum entanglement). لكن هناك مشكلة — ليس كل تشابك مناسب. يطلق الفيزيائيون على «السحر» (أو اللاثباتية) خاصية خاصة بدونها لا يمكن للحاسوب الكمومي أن يتفوق على الحاسوب العادي.

البخار المتصاعد فوق معدن ساخن مشهد مألوف في المطبخ. لكن إذا استخدمنا الروبيديوم بدلًا من الماء، تتحول هذه السحابة إلى بطارية. لا تعمل بالتفاعلات الكيميائية، بل بالتناسق الكمي بين الذرات. في التجربة، وُضعت سحابة بخار تحتوي على تريليون ذرة روبيديوم (فلز قلوي مشابه للصوديوم) في خلية زجاجية.

في البطاريات الكمومية، يمكن تسريع الشحن إذا أُعيد ترتيب خطواته في الزمن مثل قطع الأحجية. فبدلاً من النمو المنتظم للطاقة، تحدث انفجارات حادة في الكفاءة، مثل مستعرات عظمى مجهرية داخل الذرات. وتتكرر هذه الدفقات بدقة النجوم النابضة الكونية، لكن بمعدل أسرع بمليارات المرات.

تعمل البطارية الكمومية كإسفنجة تمتص الضوء، لكنها لا تطلقه دون عصرها بقوة. كان الإلهام من مصائد الطاقة الشمسية الطبيعية للبكتيريا: إذ تلتقط فوتونات الشمسية وتنقل الطاقة بلا ضياع يُذكر، كما أثبت المطيافية. أعاد الفيزيائيون هذه الآلية بجمع الذرات في حلقة ووضعها داخل مرنان مرآوي.

هاتفان ببطاريتين متماثلتين: أحدهما يُشحن في قبو بإشارة ضعيفة — فتسير العملية أبطأ. نسبة الشحن هنا تؤدي دور عقرب الساعة. انتقل الفيزيائيون بهذا المنطق نفسه إلى العالم الكمومي. ساعتهم هي بطارية مجهرية تُراكم الطاقة. تعتمد سرعة الشحن على «نمط» كمومي خفي — تماماً كمفتاح تبديل.

البطارية الكمومية هي جهاز يخزن الطاقة في الحالات الكمومية للجسيمات. في العمل الجديد، تمت نمذجة البطارية بزوج من الكيوبتات (qubits) — أصغر ناقلات المعلومات، التي يمكن أن تكون في حالة "صفر" أو "واحد" أو خليط منهما. كيوبت واحد يخزن الطاقة، والثاني يعمل كجهاز شحن متصل بالبيئة الخارجية — الخزان.

الذاكرة التقليدية في الحواسيب تستهلك طاقة باستمرار كي لا تنسى ما خُزّن فيها. أما المادة فائقة التوصيل فيمكنها تخزين البيانات دون فقدان، لكن من الصعب جعلها تتبدل بين حالتين. في العمل الجديد، حُصرت مادة فائقة التوصيل بين عازلين مغناطيسيين. تعمل الطبقات المغناطيسية كقطبين مغناطيسيين: إذا كان قطباها متوازيين، تكون خاصية التوصيل الفائق مفعّلة؛ وإذا كانا متعاكسين، تكون معطّلة.

البطاريات الكمومية، مثل أي نظام، تخضع لتأثير الإنتروبيا — الميل الأساسي نحو الفوضى الذي يتجلى في فقدان الطاقة. تخيل أسلاكًا متوازية تولد إشارات طفيلية متبادلة: وبالمثل، تخلق تلامسات البطارية مع المحيط قنوات تسرب غير مرغوب فيها. لكبح هذه التسربات، يقترح العلماء استخدام التضفير — جدل الذرات العملاقة (ذرات رايدبرج) التي تعمل في نفس الوقت كشاحن ومخزن.

الذرات، مثل سرب من اليراعات التي تزامن وميضها، قادرة على إصدار الضوء في انسجام تام. هذه الظاهرة، التي تسمى الانبعاث الفائق (superradiance)، تؤدي إلى زيادة غير خطية في شدة الضوء: مئة ذرة تصدر إشعاعًا متماسكًا تعطي توهجًا أكثر سطوعًا بعشرة آلاف مرة من ذرة واحدة. استخدم الفيزيائيون هذا التأثير لإنشاء محرك حراري من نوع جديد جذريًا.

أوركسترا بلا قائد، حيث لا يسمع كل عازف سوى صدى القاعة، قادرة على تأليف لحن قوي. هكذا تعمل البطارية الكمومية: جسيمات عديدة مغمورة في وسط دافئ لا تبدد الحرارة، بل تتبادلها بشكل متزامن. بدلًا من الفوضى، ينشأ شحن منتظم. الوسط نفسه هو الوسيط: الجسيمات تمتصه وتشعه بتناغم. ينشأ صدى جماعي يحول الارتعاش الحراري إلى عمل مفيد.

البطارية الكمومية ليست صندوقاً فيه إلكتروليت، بل حفنة من الذرات أو الدوائر فائقة التوصيل، تُخزن الطاقة في حالات مثارة. يمكن شحنها في أجزاء من الثانية باستخدام التأثيرات الكمومية الجماعية. لكن بمجرد أن تجد البطارية نفسها في العالم الحقيقي، تبدأ الطاقة بالتسرب على شكل حرارة: الإنتروبيا القصوى (ergotropy)، أي أقصى شغل يمكن استخراجه من حالة كمومية، تتبدد بشكل غير قابل للعكس.