Science. Batterie quantique : de la théorie à la réalité
Une batterie quantique, exploitant les lois de l’infiniment petit, vient d’être réalisée pour la première fois en laboratoire. Elle pourrait devenir le composant indispensable pour alimenter les futurs ordinateurs quantiques.
Après les ordinateurs, les capteurs et les horloges, c’est au tour des batteries de faire leur entrée dans le grand bazar des objets quantiques. Avec celles-ci, l’enjeu n’est plus de stocker l’énergie grâce à des réactions chimiques, comme dans nos batteries actuelles, mais d’exploiter directement les règles de l’infiniment petit.
Pendant plus de dix ans, les batteries quantiques ont principalement été étudiées avec le papier et le crayon des théoriciens. Mais dans une publication parue le 13 mars dans Light, James Quach, physicien au CSIRO, en Australie, et ses collaborateurs ont annoncé avoir fait de cette idée une réalité : « Nous sommes parvenus à développer le premier prototype d’une batterie quantique fonctionnelle », assure le chercheur.
Pour faire fonctionner nos appareils, les batteries actuelles sont « électrochimiques ». C’est-à-dire qu’elles permettent de générer un courant électrique par suite de réactions chimiques. Les accumulateurs les plus utilisés sont ceux au « lithium », au cœur de la numérisation du monde, de la transition vers la mobilité électrique ou du stockage des énergies renouvelables.
Les batteries classiques, avec leur plus de deux siècles de développement, sont efficaces et omniprésentes. Alors, pourquoi vouloir les remplacer ? « En réalité, les batteries quantiques ne sont pas pensées pour remplacer les batteries de nos objets du quotidien, fait savoir Juliette Monsel, physicienne à l’université de technologie Chalmers, en Suède. Elles visent avant tout à alimenter des technologies quantiques, comme les puces des futurs ordinateurs, dont les besoins diffèrent profondément de ceux d’un smartphone ou d’une voiture électrique. »
L’architecture la plus répandue d’une batterie quantique, décrite pour la première fois en 2013, fonctionne grâce à ce que l’on appelle un qubit. Les qubits sont des « systèmes à deux niveaux », c’est-à-dire des objets quantiques avec lesquels il est possible de faire varier l’état entre deux valeurs. Par exemple, un atome (qui joue le rôle de qubit) peut être soit dans son état d’énergie le plus bas (l’état fondamental), soit dans un état d’énergie supérieur (l’état excité).
Pour transformer ce qubit en batterie, il suffit d’exploiter ses deux niveaux d’énergie : passer de l’état fondamental à l’état excité revient à charger la batterie, car on y stocke de l’énergie. Tant que le qubit reste dans cet état, l’énergie est conservée. Et lorsqu’il redescend vers son état fondamental, il libère cette énergie : la batterie se décharge. Cette énergie peut alors être convertie en électricité.
Une charge plus rapide
Il a fallu près de dix ans pour que la proposition théorique soit en partie réalisée expérimentalement. En 2022, James Quach et ses collaborateurs sont parvenus à développer un semblant de batterie quantique, capable d’être rechargée et de stocker de l’énergie.
Dans le système développé par James Quach, le qubit est une molécule de colorant (le Lumogen F Orange). Une ou plusieurs de ces molécules sont soumises à de très brèves impulsions laser afin de faire passer leur énergie du niveau fondamental au niveau excité. « La lumière n’excite pas automatiquement la molécule lorsqu’elle arrive : il existe seulement une certaine probabilité que cela se produise. Pour augmenter cette probabilité, la molécule est placée entre des miroirs qui réfléchissent la lumière à plusieurs reprises. Celle-ci traverse donc la molécule encore et encore, jusqu’à ce qu’elle finisse par l’exciter », décrit Juliette Monsel. Une fois que c’est le cas, la batterie est chargée.
Grâce à leur expérience, James Quach et son équipe ont mis en évidence un phénomène de super-absorption dans les batteries quantiques. Autrement dit, plus le système contient de molécules (ou de qubits), plus il se recharge rapidement. C’est l’inverse d’une batterie classique, pour laquelle, en pratique, le temps de charge augmente avec la taille. « Dans une batterie quantique, les qubits peuvent être reliés entre eux par un phénomène d’intrication, décrit Juliette Monsel. Ils ne se comportent alors plus comme des systèmes séparés, mais comme un ensemble unique. Il devient ainsi possible de charger toute la batterie de façon collective. »
Sur le papier, il n’y a pas de limite à la super-absorption, et la charge sera toujours plus rapide en rajoutant des qubits. En réalité, ce n’est pas aussi simple : plus un système quantique est grand, plus il est compliqué de garder les effets quantiques – c’est la décohérence. « Si on construit des batteries quantiques de plus en plus en grandes, il arrive un moment où il est difficile de garder tous les qubits sous contrôle. Ils interagissent alors avec l’environnement, ce qui finit par détruire le système », précise James Quach. Le tout est donc de trouver le juste dosage pour maximiser les effets collectifs sans détruire l’avantage apporté par les interactions quantiques.
Cette première expérience a beau être une belle avancée, le dispositif n’est pas encore à proprement parler une batterie. En effet, s’il est possible de charger de l’énergie en excitant les qubits et de la stocker en les maintenant dans leur état excité, il n’est pas encore possible de l’extraire.
Le tout premier prototype
Près de quatre années de travaux supplémentaires ont été nécessaires pour atteindre cette étape symbolique. Dans l’article de Nature publié en mars, James Quach et son équipe annoncent avoir réussi à fabriquer la première preuve de concept d’une batterie quantique, où le cycle charge-stockage-décharge est complet.
Lorsqu’une molécule passe de son état fondamental à un état excité, ce sont en général ses électrons qui gagnent de l’énergie. « Pour pouvoir tirer l’énergie du système, on a donc fait en sorte d’en extraire les électrons », rapporte le physicien. Et qui dit mouvement d’électrons dit courant électrique. La batterie quantique en est donc maintenant bel et bien une, puisqu’elle a alterné les étapes : absorption de lumière, stockage temporaire d’énergie, restitution sous forme de courant. Une fois cette énergie récupérée, la molécule revient à son état initial, prête à être de nouveau excitée.
Les batteries quantiques ne remplaceront probablement jamais les piles de notre quotidien, comme celles des véhicules électriques.
Cette première batterie quantique se charge en environ une femtoseconde (10−15 seconde) et ne conserve l’énergie que pendant une nanoseconde (10−9 seconde). Les valeurs ont beau être extrêmement petites, leur écart est très important : six ordres de grandeur, soit six zéros de différence. « Si le temps de charge durait une minute, six ordres de grandeur signifient que l’énergie pourrait être stockée pendant plusieurs années », compare James Quach. Soit un rapport bien supérieur à ce dont sont capables les batteries électrochimiques. Et ce n’est qu’un début : « On pense encore pouvoir augmenter le temps de stockage », anticipe le chercheur. Idem pour le rendement : « Aujourd’hui il n’est que de 3 %, ce qui est très faible, mais notre objectif était seulement d’obtenir une batterie qui fonctionne. Nous ne nous sommes pas du tout attardés sur le rendement, ni même sur la capacité de stockage totale. Avec des travaux dédiés, ces deux paramètres pourraient donc être améliorés, et c’est ce sur quoi nous travaillons. »
Améliorer l’efficacité énergétique
Même avec des améliorations, les durées de charge, stockage et rendement n’atteindront probablement jamais (du moins pas de sitôt) celles des batteries classiques. « Et ce n’est pas grave, assure Juliette Monsel. Ce qu’il faut, c’est que ces durées soient cohérentes avec l’utilisation que l’on fait des batteries quantiques. Donc, même si ces temps paraissent très courts à nos échelles, ils sont en fait équivalents aux durées de fonctionnement des processeurs que l’on retrouve dans les ordinateurs quantiques, qui opèrent en quelques nanosecondes. »
Comme les batteries quantiques doivent être utilisées dans des milieux très contrôlés, sous peine de subir de la décohérence, elles ne remplaceront probablement jamais les piles de notre quotidien, comme celles des véhicules électriques. Les premières utilisations concrètes de ces batteries concerneront sans doute les ordinateurs quantiques. En particulier, dans les machines à qubits supraconducteurs, aujourd’hui, la technologie la plus mature et celle privilégiée par de grands acteurs comme Google.
Actuellement, chaque qubit supraconducteur est piloté par des impulsions électriques envoyées depuis l’extérieur. À terme, des batteries quantiques pourraient remplacer en partie ce système : une seule ligne d’alimentation servirait à les charger, puis elles pourraient redistribuer l’énergie directement aux qubits au moment voulu. « Elles agiraient ainsi comme une source d’énergie locale, au plus près des qubits, capables de délivrer des impulsions sans passer systématiquement par des lignes de commande externes », imagine James Quach. Les interactions avec l’extérieur sont en effet une source majeure de décohérence, donc de perte des propriétés quantiques nécessaires au calcul. En limitant ces échanges, les batteries quantiques pourraient ainsi contribuer à préserver la cohérence des qubits et, à terme, améliorer la fiabilité des opérations.
En outre, l’énergie pourrait circuler de manière réversible : « Après une opération, une partie de l’énergie fournie au qubit serait récupérée par la batterie, puis réutilisée lors des cycles suivants », décrit Juliette Monsel. L’énergie qui n’est pas utilisée immédiatement ne serait plus perdue, mais brièvement stockée pour être réinjectée presque aussitôt dans le système. Ce fonctionnement permettrait de limiter les pertes d’énergie, qui se dissipent sous forme de chaleur. Dans les technologies quantiques, en particulier les qubits supraconducteurs qui doivent être refroidis à très basse température, la moindre dissipation thermique perturbe le système et complique fortement le refroidissement. « En récupérant et réutilisant directement cette énergie, les batteries quantiques pourraient ainsi à la fois améliorer l’efficacité énergétique et réduire les contraintes de réfrigération. »
« Cette première réalisation en laboratoire nous montre que les batteries quantiques ne sont pas que des objets théoriques », salue Juliette Monsel. Les molécules de colorant utilisées par l’équipe de James Quach ne sont d’ailleurs qu’une première étape : d’autres architectures sont déjà envisagées, utilisant d’autres types de qubits que les molécules de colorant. En quittant le bestiaire des curiosités théoriques pour rejoindre la réalité des laboratoires, la batterie quantique pourrait s’imposer comme la pièce manquante pour assurer le fonctionnement des futurs ordinateurs quantiques.
