Công nghệ pin truyền thống là nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại, cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ thiết bị di động đến xe điện. Những loại pin thông thường này, thường dựa trên các quá trình hóa học liên quan đến lithium-ion hoặc axit chì, đã có những tiến bộ đáng kể. Tuy nhiên, chúng vẫn gặp phải những hạn chế về mật độ năng lượng, thời gian sạc, tuổi thọ và tác động đến môi trường. Khi nhu cầu lưu trữ năng lượng tiếp tục tăng, những hạn chế này ngày càng trở nên nghiêm trọng.
Còn pin lượng tử là một công nghệ mới nổi hứa hẹn cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng bằng cách tận dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử. Không giống như pin truyền thống, nơi việc lưu trữ và giải phóng năng lượng bị chi phối bởi các phản ứng hóa học, pin lượng tử sử dụng các trạng thái và hiện tượng lượng tử như chồng chất và vướng víu. Về mặt lý thuyết, những nguyên tắc này có thể cho phép mật độ năng lượng cao hơn nhiều và thời gian sạc cực kỳ nhanh so với các nguyên tắc thông thường.
Khi hoạt động nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này tiến triển, pin lượng tử có thể đóng vai trò then chốt trong việc giải quyết một số thách thức năng lượng cấp bách nhất của thế kỷ 21.
Pin lượng tử đại diện cho một cách tiếp cận mới để lưu trữ năng lượng, về cơ bản khác với các công nghệ pin truyền thống. Pin truyền thống lưu trữ năng lượng thông qua các phản ứng hóa học bên trong tế bào, điều này vốn đã hạn chế mật độ năng lượng và tốc độ sạc của chúng. Mặt khác, pin lượng tử khai thác các nguyên lý của cơ học lượng tử để lưu trữ và quản lý năng lượng, có khả năng khắc phục những hạn chế này.
Pin lượng tử dựa trên hai nguyên tắc lượng tử quan trọng: sự chồng chất và sự vướng víu. Sự chồng chất cho phép các hạt như electron tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái hoặc vị trí, một khái niệm được tận dụng trong pin lượng tử để có khả năng giữ và giải phóng năng lượng theo cách hiệu quả hơn so với pin thông thường. Sự vướng víu là một hiện tượng trong đó các hạt trở nên liên kết với nhau sao cho trạng thái của một hạt (bất kể khoảng cách với hạt kia) có thể ảnh hưởng tức thời đến trạng thái của hạt khác. Trong bối cảnh pin lượng tử, điều này có thể cho phép quá trình sạc nhanh và phối hợp trên toàn bộ pin, vì trạng thái của tất cả các hạt liên quan có thể được điều khiển đồng thời.
Bất chấp những nền tảng lý thuyết đầy hứa hẹn, vẫn còn những thách thức thực tế cần được giải quyết trước khi pin lượng tử có thể được thương mại hóa. Chúng bao gồm việc tìm kiếm các vật liệu phù hợp có thể duy trì trạng thái lượng tử một cách đáng tin cậy trong thời gian dài, phát triển các phương pháp đọc và ghi năng lượng vào trạng thái lượng tử một cách hiệu quả và nhân rộng công nghệ từ các hệ thống cấp độ vi mô hoặc cấp độ nguyên tử lên kích thước thực tế, có thể sử dụng được.
Ju-Yeon Gyhm, một nhà nghiên cứu lượng tử tại Đại học Quốc gia Seoul, giải thích rằng những viên pin này bao gồm nhiều tế bào lượng tử hoạt động như một thực thể duy nhất. Thách thức nằm ở việc duy trì các tính chất lượng tử trong thời gian dài.
Rào cản lớn đối với công nghệ pin lượng tử là duy trì trạng thái lượng tử bên ngoài môi trường nghiên cứu được kiểm soát. Giống như máy tính lượng tử phải đối mặt với vấn đề duy trì trạng thái mong manh của chúng, pin lượng tử cũng phải vượt qua những trở ngại tương tự. Để đạt được điều này sẽ đòi hỏi những đột phá giống như việc phát hiện ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
Nghiên cứu gần đây chỉ ra những hướng đi đầy hứa hẹn cho pin lượng tử. Năm 2018, các nhà khoa học đã mô hình hóa pin lượng tử Dicke, loại pin đầu tiên được đề xuất ở dạng kiến trúc thể rắn.
Đến năm 2022, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một khung cơ bản sử dụng ánh sáng laser, gương và mục tiêu. Cuối năm ngoái, một nhóm khác đã đề xuất một hệ thống trong đó pin lượng tử sạc theo thứ tự nhân quả không xác định (ICO), có khả năng vượt trội so với các phương pháp sạc thông thường. Tính linh hoạt này có thể mang lại những lợi ích đáng kể cả về hiệu quả và lưu trữ năng lượng.
Các thiết lập thử nghiệm khác nhau đưa ra nhiều con đường khác nhau để đổi mới thiết kế pin lượng tử. Ví dụ, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Gdansk và Đại học Calgary đã đề xuất một hệ thống có thể tối đa hóa việc lưu trữ năng lượng trong khi giảm thiểu sự tiêu tán năng lượng. Cách tiếp cận của họ liên quan đến việc ghép pin và bộ sạc của nó vào cùng một bình chứa, cải thiện hiệu suất truyền năng lượng.
James Quach, một nhà nghiên cứu lượng tử tại Đại học Adelaide, đã giải thích hành vi tập thể của pin lượng tử. Không giống như pin thông thường, nơi các phân tử hoạt động riêng lẻ, các phân tử của pin lượng tử hoạt động đồng loạt, dẫn đến thời gian sạc nhanh hơn. Vào năm 2022, nhóm của Quach đã chứng minh điều này bằng cách sạc thuốc nhuộm phân tử bằng ánh sáng xung, đạt được khả năng lưu trữ năng lượng nhanh chóng.
Pin lượng tử có thể cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng và tìm chỗ đứng trong ngành ô tô trong tương lai nếu những thách thức kỹ thuật của chúng được vượt qua. Chúng hứa hẹn sạc nhanh hơn và hiệu quả hơn so với pin truyền thống và có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động và phương tiện đi lại. Tuy nhiên, thương mại hóa vẫn là một mục tiêu xa vời, vì việc duy trì trạng thái lượng tử ở quy mô lớn hiện là một thách thức đáng kể.
Bất chấp những thách thức này, tiềm năng của pin lượng tử là không thể phủ nhận. Planckian, một công ty chuyên phát triển pin lượng tử, đã nhận được hơn 2,7 triệu euro tiền tài trợ vòng hạt giống và được hướng dẫn bởi các chuyên gia về vật chất ngưng tụ và lý thuyết thông tin lượng tử từ Đại học Pisa và Scuola Normale Superiore ở Ý.
Trong lĩnh vực ô tô, pin lượng tử có thể cho phép xe điện di chuyển quãng đường xa hơn chỉ trong một lần sạc, giảm bớt lo lắng về phạm vi hoạt động và khiến xe điện trở nên hấp dẫn hơn đối với nhiều đối tượng người tiêu dùng hơn. Thời gian sạc nhanh hơn cũng có thể giúp xe điện trở nên thuận tiện hơn, phù hợp hơn với thời gian tiếp nhiên liệu của các phương tiện đốt trong truyền thống.
Pin lượng tử có thể đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tái tạo bằng cách lưu trữ năng lượng hiệu quả từ các nguồn không liên tục như năng lượng mặt trời và gió. Điều này sẽ cho phép cung cấp năng lượng tái tạo ổn định và đáng tin cậy hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển đổi lớn hơn khỏi nhiên liệu hóa thạch.
Trong khi vẫn còn những thách thức, tiềm năng của pin lượng tử trong việc cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng và đóng góp cho một tương lai năng lượng bền vững là rất rõ ràng. Tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, cùng với sự hợp tác liên ngành, sẽ là chìa khóa để khai thác toàn bộ tiềm năng của công nghệ thú vị này, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô.