호주 과학 연구팀은 최근 양자역학의 법칙을 통해 '충전-에너지 저장-방전'의 전 과정을 완료할 수 있는 양자 배터리 프로토타입을 처음으로 만들었다고 발표했습니다. 이는 이론적 구상에서 실제 장치까지의 중요한 이정표로 간주됩니다. 이번 성과는 호주 국립과학연구기관 CSIRO 소속 물리학자 제임스 콰치(James Quach)의 주도 하에 완성됐으며, 저널 'Light: Science & Application'에 게재됐다. 연구팀은 이를 '개념 증명' 나노 규모 전원 공급 장치라고 부르며, 양자 배터리가 종이 모델에서 실제 장치로 전환되는 것을 의미합니다.
크기가 커질수록 빠르게 충전하기 어려운 기존 배터리와 달리 이 양자 배터리는 소위 '집단 효과'를 활용합니다. 즉, 여러 양자 단위 간의 시너지 효과로 인해 단위 수가 증가할 때 시스템이 더 빠른 충전을 달성할 수 있습니다. 이 겉보기에 반직관적인 메커니즘은 이론적으로 10년 전에 제안되었으며 이제 처음으로 하드웨어 수준에서 실험적으로 확인되었습니다.
이전에 Quachi 팀은 초기 연구에서 양자 단위가 "집단적 방식"으로 에너지를 공유할 수 있음을 입증했지만 저장된 후 에너지를 효과적으로 꺼내는 방법은 항상 실용성을 향한 핵심 문제였습니다. 새로운 장치는 구조 설계 측면에서 이 문제를 해결하고 저장된 양자 상태 에너지의 제어 가능한 재방출을 달성하여 후속 응용을 위한 기술 기반을 마련합니다.
이번 실험에서 양자전지는 무선 충전을 위해 레이저를 사용하는데, 완전 상태를 완료하는 데는 펨토초, 즉 1000조분의 1초밖에 걸리지 않는다. 더 중요한 것은 저장된 에너지를 나노초 단위로 유지할 수 있으며 저장 시간은 충전 시간보다 약 6배 더 길다는 것입니다. 연구원의 비유에 따르면 이 비율을 거시적 규모로 확대하면 1분 동안 충전하고 몇 년 동안 전력을 유지할 수 있는 배터리와 같습니다.
현재 프로토타입 장치의 용량은 수십억 전자 볼트에 불과하며 이는 실제 전자 장치에 전력을 공급하기에는 충분하지 않습니다. Kuach는 현재 핵심 과제는 통신 전자 장치와 같은 실제 시나리오에서 안정적인 에너지 공급을 달성하기 위해 양자 배터리에서 에너지를 유지할 수 있는 시간을 계속 연장하는 것이라고 말했습니다. 충분히 오랜 시간 동안 에너지의 양자 일관성을 유지하는 것은 공학의 전제 조건입니다.
업계 전문가들은 단기적으로 양자전지의 가장 유망한 응용은 기존 리튬전지를 직접 대체하는 것이 아니라 양자컴퓨터 등 첨단기기를 서비스하는 데 앞장서는 것이라고 보고 있다. 양자 컴퓨팅 시스템은 에너지 공급의 정확성과 교란에 매우 민감하기 때문에 '일관성' 방식으로 에너지를 전달할 수 있는 전원 공급 장치는 소음을 크게 줄이고 시스템 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 프로젝트에 참여하지 않은 호주 퀸즈랜드대학교 양자기술연구소장 앤드류 화이트(Andrew White)는 언론과의 인터뷰에서 “이 결과는 양자 배터리가 더 이상 단순한 아이디어가 아니라 작동 가능한 프로토타입이 되었음을 매우 아름답게 보여준다”고 평가했다. 그는 이를 통해 양자 배터리가 추상적인 이론적 논의에서 지속 가능한 최적화 및 엔지니어링 증폭 단계로 이동할 수 있다고 믿습니다.
장기적인 관점에서 본 실험은 미래에 고성능 프로세서와 같은 첨단 전자 시스템에 전력을 공급하거나 모바일 장치의 장거리 무선 충전을 가능하게 하는 새로운 종류의 초고속 충전 장치의 가능성을 보여줍니다. Kuach는 미래의 드론이나 차량이 작업을 수행할 때 이동 중에 양자 제어 광원을 통해 에너지를 보충할 수 있다고 생각합니다. 내부 양자 배터리는 작동 중에 무선으로 "점등"되어 에너지 보충 속도와 방법에 있어 기존 전원의 한계를 뛰어넘습니다.