Ya sea fotovoltaica o fusión nuclear, tarde o temprano la civilización humana tendrá que cambiar a energías renovables. Esto se considera inevitable en vista de las necesidades energéticas cada vez mayores de la humanidad y la naturaleza finita de los combustibles fósiles. Por lo tanto, se ha investigado mucho para desarrollar fuentes alternativas de energía, la mayoría de las cuales utilizan la electricidad como combustible principal. La extensa investigación y desarrollo en energía renovable ha ido acompañada de cambios sociales graduales a medida que el mundo introdujo nuevos productos y dispositivos que funcionan con energía renovable. El cambio más notable recientemente es la rápida adopción de vehículos eléctricos. Mientras que hace 10 años apenas se veían en las calles, hoy en día se venden millones de coches eléctricos al año. El mercado de los coches eléctricos es uno de los sectores de más rápido crecimiento y ha ayudado a que Elon Musk sea el hombre más rico del mundo.

Ya sea fotovoltaica o fusión nuclear, tarde o temprano la civilización humana tendrá que cambiar a energías renovables. Esto se considera inevitable en vista de las necesidades energéticas cada vez mayores de la humanidad y la naturaleza finita de los combustibles fósiles. Por lo tanto, se ha investigado mucho para desarrollar fuentes alternativas de energía, la mayoría de las cuales utilizan la electricidad como combustible principal. La extensa investigación y desarrollo en energía renovable ha ido acompañada de cambios sociales graduales a medida que el mundo introdujo nuevos productos y dispositivos que funcionan con energía renovable. El cambio más notable recientemente es la rápida adopción de vehículos eléctricos. Mientras que hace 10 años apenas se veían en las calles, hoy en día se venden millones de coches eléctricos al año. El mercado de los coches eléctricos es uno de los sectores de más rápido crecimiento y ha ayudado a que Elon Musk sea el hombre más rico del mundo.

A diferencia de los automóviles convencionales, que obtienen energía de la quema de combustibles de hidrocarburos, los vehículos eléctricos dependen de baterías para almacenar su energía. Las baterías han tenido durante mucho tiempo una densidad de energía mucho más baja que los hidrocarburos, lo que resultó en rangos muy cortos para los primeros vehículos eléctricos. Sin embargo, la mejora gradual en las tecnologías de las baterías finalmente permitió que la autonomía de los autos eléctricos estuviera en niveles aceptables en comparación con los autos que funcionan con gasolina. No es una subestimación que mejorar la tecnología de almacenamiento de baterías fue uno de los cuellos de botella de ingeniería clave que debían resolverse para impulsar la revolución actual de los vehículos eléctricos.

Sin embargo, a pesar de las enormes mejoras en la tecnología de las baterías, los consumidores de vehículos eléctricos se enfrentan hoy a otra dificultad: la lenta velocidad de carga de la batería. Actualmente, los coches en casa tardan unas 10 horas en cargarse por completo. Incluso los supercargadores más rápidos en las estaciones de carga necesitan entre 20 y 40 minutos para recargar completamente los vehículos. Esto genera costos adicionales e inconvenientes para los clientes.

Para abordar este problema, los científicos recurrieron al misterioso campo de la física cuántica en busca de respuestas. Su búsqueda ha llevado al descubrimiento de que las tecnologías cuánticas podrían prometer nuevos mecanismos para cargar las baterías más rápido. Este concepto de «batería cuántica» fue propuesto por primera vez en un artículo seminal de Alicki y Fannes en 2012. Se ha teorizado que los recursos cuánticos, como el entrelazamiento, pueden usarse para acelerar significativamente el proceso de carga de la batería al cargar todas las celdas dentro de la batería colectivamente al mismo tiempo.

Esto es particularmente emocionante, ya que las baterías modernas de gran capacidad pueden contener numerosas celdas. Con las baterías clásicas, en las que las celdas se cargan en paralelo independientemente unas de otras, esta carga colectiva no es posible. La ventaja de esta carga colectiva sobre la carga en paralelo se puede medir mediante la relación denominada «ventaja de carga cuántica». Más tarde, alrededor de 2017, se descubrió que podría haber dos posibles fuentes detrás de esta ventaja cuántica: la «operación global» (donde todas las células hablan con todas las demás al mismo tiempo, es decir, «todos están sentados en la misma mesa») y «acoplamiento de todos a todos» (cualquier celda puede hablar con cualquier otra, pero una sola celda, es decir, «muchas discusiones, pero cada discusión tiene solo dos participantes»). Sin embargo, no está claro si estas dos fuentes son necesarias y si existen límites para la velocidad de carga que se puede lograr.

Los científicos del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos del Instituto de Investigación Básica (IBS) recientemente profundizaron en estas preguntas. El artículo, seleccionado como «Propuesta del editor» en la revista Physical Review Letters, mostró que el acoplamiento total en baterías cuánticas es irrelevante y que la existencia de operaciones globales es el único ingrediente de la ventaja cuántica. El grupo fue más allá para identificar la fuente precisa de este beneficio mientras descartaba todas las demás posibilidades, e incluso proporcionó una forma explícita de diseñar tales baterías.

Además, el grupo pudo cuantificar exactamente cuánta velocidad de carga se puede lograr en este esquema. Si bien la velocidad máxima de carga de las baterías clásicas aumenta linealmente con el número de celdas, el estudio mostró que las baterías cuánticas con operación global pueden lograr una escala cuadrática de la velocidad de carga. Para ilustrar esto, consideremos un vehículo eléctrico típico con una batería que contiene alrededor de 200 celdas. El uso de esta carga cuántica daría como resultado una aceleración de 200 veces con respecto a las baterías tradicionales, lo que significa que el tiempo de carga en el hogar se reduciría de 10 horas a alrededor de 3 minutos. En las estaciones de carga rápida, el tiempo de carga se reduciría de 30 minutos a unos pocos segundos.

Los investigadores dicen que las implicaciones pueden ser de gran alcance y que el impacto de la carga cuántica puede extenderse mucho más allá de los automóviles eléctricos y la electrónica de consumo. Por ejemplo, podría encontrar aplicaciones clave en futuras plantas de energía de fusión, donde es necesario cargar y descargar grandes cantidades de energía en un instante. Por supuesto, las tecnologías cuánticas aún están en pañales y todavía queda un largo camino por recorrer antes de que estos métodos puedan implementarse en la práctica. Sin embargo, los resultados de investigación como este apuntan en una dirección prometedora y pueden alentar a los financiadores y empresas a invertir más en estas tecnologías. Se cree que las baterías cuánticas, si se implementan, revolucionarían por completo la forma en que usamos la energía y nos acercarían un paso más a nuestro futuro sostenible.


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