Une illustration du véhicule électrique d’aujourd’hui par rapport au futur véhicule basé sur les technologies de batteries quantiques. L’utilisation de la recharge quantique permettrait de multiplier par 200 la vitesse d’un véhicule électrique typique, ce qui signifie que le temps de recharge passerait de 10 heures à environ 3 minutes (à la maison), ou de 30 minutes à 9 secondes dans une station de recharge. Crédit : Institute for Basic Sciences (Institut des Sciences Fondamentales)
Qu’il s’agisse de photovoltaïque ou de fusion, la civilisation humaine devra tôt ou tard se tourner vers les énergies renouvelables. Cette évolution est jugée inévitable, compte tenu des besoins énergétiques sans cesse croissants de l’humanité et du caractère limité des combustibles fossiles. De nombreuses recherches ont été menées afin de développer des sources d’énergie alternatives, dont la plupart utilisent l’électricité comme principal vecteur énergétique.
La R&D intensive dans le domaine des énergies renouvelables s’est accompagnée de changements sociétaux progressifs, le monde adoptant de nouveaux produits et dispositifs fonctionnant avec des énergies renouvelables. Le changement le plus frappant a été l’adoption rapide des véhicules électriques. Alors qu’on les voyait rarement sur les routes il y a encore dix ans, des millions de voitures électriques sont vendues chaque année. Le marché des voitures électriques est l’un des secteurs à la croissance la plus rapide.
Contrairement aux voitures traditionnelles, qui tirent leur énergie de la combustion d’hydrocarbures, les véhicules électriques utilisent des batteries comme moyen de stockage de leur énergie. Pendant longtemps, les batteries avaient une densité énergétique bien inférieure à celle offerte par les hydrocarbures, ce qui se traduisait par une très faible autonomie des premiers véhicules électriques.
Toutefois, l’amélioration progressive des technologies des batteries a finalement permis aux voitures électriques d’avoir une autonomie acceptable par rapport aux voitures à essence. Il n’est pas exagéré de dire que l’amélioration de la technologie de stockage des batteries était l’un des principaux goulets d’étranglement techniques qu’il fallait résoudre pour donner le coup d’envoi de la révolution actuelle des véhicules électriques.
Cependant, malgré les vastes améliorations apportées à la technologie des batteries, les consommateurs actuels de véhicules électriques sont confrontés à une autre difficulté : la lenteur de la charge des batteries. Actuellement, les voitures mettent environ 10 heures à se recharger complètement à la maison. Même les superchargeurs les plus rapides des stations de recharge nécessitent jusqu’à 20 à 40 minutes pour recharger complètement les véhicules. Cela entraîne des coûts supplémentaires et des désagréments pour les clients.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont cherché des réponses dans le domaine de la physique quantique. Leurs recherches ont abouti à la découverte que les technologies quantiques pourraient offrir de nouveaux mécanismes permettant de recharger les batteries plus rapidement.
La technologie des batteries quantiques a été proposée pour la première fois dans un article fondateur publié par Alicki et Fannes en 2012. Ils ont théorisé que les ressources quantiques, telles que l’intrication, peuvent être utilisées pour accélérer considérablement le processus de chargement des batteries en chargeant simultanément toutes les cellules de la batterie de manière collective.
Cette idée est particulièrement intéressante, car les batteries modernes à haute capacité peuvent contenir de nombreuses cellules. Une telle charge collective n’est pas possible dans les batteries classiques, où les cellules sont chargées en parallèle indépendamment les unes des autres. L’avantage de cette charge collective par rapport à la charge parallèle peut être mesuré par un ratio appelé avantage de charge quantique.
Vers 2017, les chercheurs ont remarqué que cet avantage quantique pouvait avoir deux origines : le fonctionnement global (toutes les cellules parlent à toutes les autres simultanément, c’est-à-dire qu’elles sont « toutes assises à la même table ») et le couplage entre toutes les cellules (c’est-à-dire qu’il y a « beaucoup de discussions, mais chaque discussion n’a que deux participants »). Cependant, il n’est pas clair si ces deux sources sont nécessaires, et s’il y a des limites à la vitesse de chargement qui peut être atteinte.
Récemment, des scientifiques du Centre de physique théorique des systèmes complexes de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) ont approfondi ces questions. L’article, qui a été choisi comme suggestion de la rédaction dans la revue Physical Review Letters, a montré que le couplage de tous à tous n’est pas pertinent dans les batteries quantiques et que la présence d’opérations globales est le seul ingrédient de l’avantage quantique. Le groupe est allé plus loin en identifiant la source exacte de cet avantage tout en excluant toute autre possibilité et a même fourni un moyen explicite de concevoir de telles batteries.
En outre, le groupe a pu quantifier précisément la vitesse de charge pouvant être atteinte dans ce schéma. Alors que la vitesse de charge maximale augmente linéairement avec le nombre de cellules dans les batteries classiques, l’étude a montré que les batteries quantiques utilisant un fonctionnement global peuvent atteindre une échelle quadratique de la vitesse de charge. Pour illustrer cela, considérons un véhicule électrique typique dont la batterie contient environ 200 cellules.
Pour illustrer cela, considérons un véhicule électrique typique dont la batterie contient environ 200 cellules. L’utilisation de cette charge quantique permettrait une accélération de 200 fois par rapport aux batteries classiques, ce qui signifie que le temps de charge à domicile passerait de 10 heures à environ 3 minutes. Dans les stations de recharge rapide, le temps de charge passerait de 30 minutes à quelques secondes.
Les chercheurs affirment que les conséquences sont considérables et que les implications de la recharge quantique peuvent aller bien au-delà des voitures électriques et de l’électronique grand public. Par exemple, elle pourrait trouver des utilisations essentielles dans les futures centrales à fusion, qui nécessitent de charger et de décharger de grandes quantités d’énergie en un instant.
Bien sûr, les technologies quantiques n’en sont qu’à leurs débuts et il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que ces méthodes puissent être mises en pratique. Les résultats de recherche tels que ceux-ci créent toutefois une direction prometteuse et peuvent inciter les organismes de financement et les entreprises à investir davantage dans ces technologies.
https://phys.org/news/2022-03-quantum-technology-electric-cars-fast.html
