Ferramenta orienta extração eficiente de energia de fontes quânticas

Com informações do IBS - 22/05/2023

Nossa capacidade tecnológica determina quanta energia podemos extrair de uma fonte quântica. Isso determina a melhor fonte de energia e as possíveis melhores fontes futuras se nossa tecnologia ultrapassar um determinado limite.
[Imagem: Institute for Basic Science]

De onde extrair energia

A ideia de que a energia é um motor fundamental do progresso social levou ao conceito de que o nível de desenvolvimento tecnológico de uma civilização pode ser medido por sua capacidade de aproveitar e usar energia.

Com base nisso, o astrofísico russo Nikolai Kardashev desenvolveu sua famosa "escala de Kardashev" como uma forma de classificar as civilizações com base em seu consumo de energia - o nível atual da nossa civilização humana é de cerca de 0,73, o que nos coloca no nível mais baixo em uma escala de 7.

Logo, coletar a energia é uma das tarefas mais críticas para o avanço da civilização. As primeiras civilizações dependiam do trabalho manual e da força animal para suas necessidades de energia. Só a Revolução Industrial, nos séculos 18 e 19, marcou uma grande mudança na forma como os humanos utilizam a energia.

Claro, parte essencial da habilidade de extrair energia está em perceber que há alguma energia para extrair: Imagine um homem das cavernas tropeçando em um pedaço de carvão; ele aprendeu rapidamente que aquilo podia ser usado para pintar desenhos dentro de uma caverna, mas o fato de que o mesmo pedaço de carvão pode ser queimado, servindo assim como fonte de energia, não é de forma alguma evidente.

Além disso, há uma diferença entre perceber que existe alguma energia para extrair e dispor dos meios necessários para sua extração. Por exemplo, estamos bem cientes de que o Sol combina átomos de hidrogênio em hélio por meio da fusão nuclear, que alimenta sua enorme produção de energia; mas é um desafio totalmente diferente reproduzir esse mesmo processo em laboratório - embora o progresso tecnológico recente esteja nos aproximando desse objetivo final de domar a fusão nuclear.

Com uma bateria quântica, recarregar o carro será tão rápido quanto encher o tanque de gasolina.
[Imagem: Institute for Basic Science]

Ergotropia observacional

Agora, estamos em um novo limiar da tecnologia energética: Para que a economia sustente seu crescimento e para que alcancemos uma sociedade pós-escassez, precisamos ser capazes de garantir quantidades cada vez maiores de fontes de energia - idealmente sustentáveis.

E, com o recente progresso das tecnologias quânticas, parece que tropeçamos em um "carvão quântico", para continuar na analogia do homem das cavernas: A possibilidade de aproveitar energia de fontes quânticas está se tornando uma realidade.

Como qualquer tecnologia, as tecnologias quânticas não são imunes às limitações humanas: Ainda não sabemos sequer quais sistemas quânticos podem servir como fonte de energia e quais não, e não está claro quais podem estar prontamente disponíveis agora, dadas as nossas ferramentas disponíveis, e quais estarão disponíveis no futuro.

Mas o caminho começa a ser traçado.

Dominik Safránek e seus colegas do Instituto para Ciências Básicas, na Coreia do Sul, elaboraram um sistema que permite medir a energia extraível de uma fonte qualquer, e faz isso levando em consideração as capacidades exatas da tecnologia disponível.

Eles chamam o método de "ergotropia observacional". Ergotropia refere-se à quantidade máxima de trabalho que pode ser extraído de um sistema. Medidas anteriores de ergotropia quântica eram idealistas - assumiam que as capacidades experimentais eram ideais. Isso é como supor que nossa usina de fusão nuclear será tão eficiente quanto o Sol sem considerar todos os problemas que surgem ao tentar replicar o Sol artificialmente.

Já a ergotropia observacional fornece estimativas e atualizações mais realistas, de acordo com nossas capacidades tecnológicas, informando-nos quais fontes são as melhores fontes de energia com nossas capacidades experimentais em cada momento.

Existem diversas tecnologias de bateria quântica ainda sendo discutidas.
[Imagem: Andrea Iorio]

Bateria quântica

A ferramenta matemática tem pretensões eminentemente práticas. Ela pode ser usada, por exemplo, para determinar a melhor plataforma para a realização experimental de uma bateria quântica.

Uma bateria quântica é um conceito mais amplo do que um mero depósito de energia para alimentar um aparelho: Qualquer sistema pequeno o suficiente para exibir fenômenos quânticos pode ser considerado uma bateria quântica.

Imagine, por exemplo, uma linha de átomos presos por um laser, ou qubits supercondutores, a partir dos quais a IBM, o Google e outras empresas e universidades estão construindo suas primeiras versões de um computador quântico; essas plataformas carreiam energia que poderá alimentar nossos futuros dispositivos quânticos, sejam computadores, sensores ou aparelhos de comunicação criptografada.

Neste trabalho, os pesquisadores mostraram como a ergotropia observacional discrimina qual bateria quântica pode alimentar melhor nosso futuro quântico.

"À medida que nossas capacidades tecnológicas se desenvolvem, a ergotropia observacional pode ser recalculada. No futuro, diferentes fontes podem ser consideradas o novo ideal, substituindo as fontes anteriormente consideradas ótimas. Podemos antecipar que essa medida pode ser usada continuamente ao longo do tempo e constitui a ferramenta fundamental que poderemos usar para julgar potenciais fontes de energia quântica," concluiu Safránek.

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