Aujourd’hui, on entend régulièrement parler des ordinateurs quantiques, ces machines conçues pour traiter des données en s’appuyant sur les principes de la mécanique quantique. Mais ce n’est pas la seule technologie qui exploite ce cadre théorique. Des spécialistes travaillent également sur des systèmes de communication, des capteurs, des matériaux… et même des batteries quantiques — un concept qui vient de faire un grand pas en avant grâce aux travaux de chercheurs italiens.
Notre civilisation est aujourd’hui fondamentalement dépendante des batteries, ces dispositifs qui permettent de stocker de l’énergie pour la restituer plus tard. Mais nos besoins en énergie continuent d’augmenter année après année ; plus la technologie progresse, plus les limites de nos batteries actuelles (capacité, temps de charge, durabilité…) deviennent criantes.
C’est pour cette raison que le développement de nouvelles batteries est un champ de recherche extrêmement actif. De nouveaux papiers explorent régulièrement des solutions de nouvelle génération comme les batteries solides, sodium-ion, lithium-soufre, et… désormais, quantiques.
Un concept balbutiant, mais révolutionnaire
Il s’agit d’une niche technologique fascinante, car contrairement aux exemples ci-dessus, il ne s’agit pas simplement d’une version améliorée d’une batterie conventionnelle : c’est un concept fondamentalement différent qui ne repose pas du tout sur les mêmes mécanismes.
Dans les batteries au lithium comme celle qui équipe par exemple votre smartphone, l’énergie est stockée sous forme de potentiel chimique, dans des liaisons entre atomes qui sont construites puis rompues par des réactions d’oxydo-réduction. Une batterie quantique, en revanche, accumule de l’énergie sous forme de différences subtiles dans l’état de la matière, en exploitant des phénomènes quantiques comme la superposition et l’intrication quantique.
Une telle batterie quantique pourrait stocker de l’énergie de manière bien plus efficace qu’un accumulateur conventionnel et se charger plus rapidement, le tout avec une durabilité supérieure… en théorie, du moins. Car jusqu’à présent, aucune batterie quantique fonctionnelle n’a jamais été construirte.
Même les différentes modélisations mathématiques du concept ont bien du mal à atteindre les performances des bonnes vieilles batteries Li-ion. En fait, aucune d’entre elles n’a réussi à démontrer un avantage quantique — un terme qui désigne le point de basculement où un système quantique devient plus performant que ses homologues classiques.
Un nouveau modèle étonamment simple
Mais cela vient enfin de changer avec les derniers travaux de chercheurs affiliés aux universités de Pise, en Italie, et de Paris Sciences et Lettres, en France. Ensemble, ils ont présenté un nouveau modèle de batterie quantique étonnamment simple, qui semble enfin présenter un vrai avantage quantique par rapport aux batteries conventionnelles.
L’étude repose sur une architecture de batterie quantique appelée Sachdev–Ye–Kitaev découverte quelques années auparavant par certains auteurs de cette nouvelle étude. Il s’agit d’un modèle très complexe, aussi bien au niveau expérimental que théorique, et il n’a donc jamais pu être testé en conditions réelles. Mais il est tout de même considéré comme prometteur, car selon certaines simulations, il pourrait effectivement présenter un avantage quantique sur les batteries classiques.
En partant de ces travaux, cette nouvelle équipe a essayé d’imaginer ce qu’elle décrit comme « la batterie la plus simple possible qui pourrait tout de même présenter un avantage quantique en termes de puissance de charge ».
Pour ce faire, les chercheurs ont imaginé un système très simple, composé de deux oscillateurs harmoniques. Il s’agit de systèmes qui, dans ce contexte, peuvent être assimilés à des petits ressorts quantiques parfaits, capables d’osciller indéfiniment sans perdre d’énergie. Le premier représente le chargeur, l’autre la batterie.
Habituellement, dans ce genre de système, l’énergie circule de manière régulière et prévisible. Comme il s’agit de systèmes idéalisés, la réaction de l’un est toujours strictement proportionnelle au mouvement de l’autre : si l’un s’étire, l’autre se contracte, et ainsi de suite. On parle alors d’une interaction linéaire.
Mais dans leur modèle, les auteurs ont introduit une interaction dite anharmonique — une modification délibérée du comportement du système, qui casse cette linéarité. Cette décision est basée sur des mathématiques complexes dans lesquelles nous ne plongerons pas ici ; mais ce qu’il faut retenir, c’est que cette interaction permet au système d’accéder à des états quantiques intriqués, où les deux oscillateurs deviennent interdépendants d’une manière très particulière. Cela ouvre la voie à des « raccourcis » dans le transfert d’énergie, qui permettent théoriquement au système de dépasser les limitations de la physique classique.
Un pas vers une “vraie” batterie quantique
Cette hypothèse a ensuite pu être vérifiée mathématiquement, grâce à une comparaison avec un autre modèle d’une batterie conventionnelle. Les données que les chercheurs ont obtenues suggèrent que ce modèle de batterie quantique surpasse son homologue classique sur le critère visé, à savoir la puissance de charge.
On se retrouve donc dans un rare cas où un avantage quantique a pu être validé sur le papier. Mais ce qui rend cette étude intéressante, c’est que le concept de cette équipe n’est pas qu’une expérience de pensée basée sur des mathématiques : il est théoriquement réalisable en pratique. « La configuration proposée peut être réalisée avec les technologies expérimentales actuelles », expliquent les auteurs.
Ils insistent toutefois sur le fait que le développement d’une telle preuve de concept va demander beaucoup de travail, car il reste de nombreux problèmes conceptuels et techniques à résoudre. Mais c’est une perspective enthousiasmante, car les démonstrateurs de ce genre sont encore extrêmement rares dans cette niche technologique assez abstraite. En cas de succès, il s’agira donc d’un pas supplémentaire vers la première « vraie » batterie quantique utilisable.
« Le développement d’une batterie quantique pleinement fonctionnelle, intégrée à d’autres technologies quantiques, reste un objectif lointain. Nous espérons que nos travaux stimuleront la recherche sur ce sujet passionnant, favorisant ainsi les progrès théoriques et expérimentaux », concluent les auteurs.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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