Pin lượng tử lật ngược quy luật sạc: Càng lớn càng sạc nhanh

Các nhà khoa học Australia vừa công bố nguyên mẫu pin lượng tử đầu tiên trên thế giới, sở hữu khả năng sạc nhanh hơn khi kích thước lớn hơn – điều trái ngược hoàn toàn với pin thông thường. Liệu công nghệ kỳ lạ này có thể một ngày nào đó cung cấp năng lượng cho máy tính lượng tử hay thậm chí là chiếc điện thoại của bạn?

Ai cũng biết rằng pin càng lớn thì thời gian sạc càng lâu – đó là lý do vì sao laptop có thể mất vài giờ và xe điện thường phải sạc qua đêm. Nhưng trong thế giới vi mô, các quy luật hoàn toàn khác biệt. Cơ học lượng tử – khoa học nghiên cứu vật chất ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử – dường như đã "lật ngược" quy luật này, theo James Quach, nhà nghiên cứu khoa học lượng tử tại CSIRO, cơ quan khoa học quốc gia Australia.

Phòng thí nghiệm chế tạo pin lượng tử chuyên dụng của CSIRO

Bước đột phá từ năm 2026

Vào tháng 3/2026, nhóm nghiên cứu của Quach đã công bố nguyên mẫu pin lượng tử hoạt động đầu tiên trên thế giới. Khác với pin truyền thống dựa trên phản ứng hóa học, pin lượng tử sử dụng các hiệu ứng lượng tử để lưu trữ và giải phóng năng lượng. Mặc dù lĩnh vực này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và công nghệ lượng tử vốn phức tạp, một số nhà khoa học tin rằng chúng có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị lượng tử trong tương lai, thậm chí là các thiết bị hàng ngày như điện thoại thông minh.

Dario Ferraro, phó giáo sư vật lý tại Đại học Genova (Italy), nhận định: "Điểm mấu chốt là pin lượng tử không tập trung vào việc lưu trữ một lượng năng lượng lớn, mà là giải phóng nó nhanh hơn và kiểm soát tốt hơn."

Cơ chế siêu hấp thụ

Quach đã sử dụng một buồng vi quang học (optical microcavity) – một thiết lập thí nghiệm gồm hai gương siêu nhỏ đặt cách nhau 100 nanomet (mỏng hơn sợi tóc người khoảng một nghìn lần). Giữa hai gương là các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ, được chiếu bởi một tia laser.

Thiết lập nguyên mẫu pin lượng tử của CSIRO

Kỹ thuật này tạo ra hiệu ứng siêu hấp thụ (superabsorption), khiến ánh sáng và phân tử tương tác mạnh, tạo thành các trạng thái lai giữa ánh sáng và vật chất. Thay vì hoạt động độc lập như trong vật lý cổ điển, các phân tử trong trạng thái lượng tử "hợp tác và đồng bộ hóa", giúp tốc độ hấp thụ năng lượng tăng lên cùng với số lượng phân tử. Nói cách khác, pin càng lớn thì sạc càng nhanh.

Nguyên mẫu của Quach có thể sạc trong vài femtosecond (phần triệu tỷ của giây) và lưu trữ năng lượng trong vài nanosecond – gấp khoảng một triệu lần thời gian sạc, dù vẫn rất ngắn. Vào tháng 3/2026, nhóm nghiên cứu đã bổ sung khả năng trích xuất dòng điện từ nguyên mẫu, một bước tiến quan trọng hướng tới ứng dụng thực tế.

Ưu điểm và thách thức

Một ưu điểm lớn của thiết kế buồng vi quang học là hoạt động ở nhiệt độ phòng, trong khi các thiết kế khác sử dụng vật liệu siêu dẫn chỉ hoạt động ở nhiệt độ dưới -150°C. "Điều này phù hợp với máy tính lượng tử, nhưng không hữu ích để sạc điện thoại của bạn", Quach cho biết.

Tuy nhiên, Mauro Paternostro, nhà vật lý lượng tử tại Đại học Queen's Belfast (Anh), cho rằng thiết kế siêu dẫn có thể chiếm ưu thế về ứng dụng thực tế vì dễ trích xuất năng lượng hơn. "Buồng vi quang học mang lại sự trình diễn đẹp mắt, nhưng kiểm soát việc đưa năng lượng ra ngoài ở dạng hữu ích còn kém", ông nói.

Các nhà khoa học cách ly pin lượng tử khỏi môi trường bên ngoài để tránh rò rỉ năng lượng

Hiện tại, nguyên mẫu chỉ có thể lưu trữ một lượng năng lượng rất nhỏ – vài tỷ electron volt – trong vài nanosecond. Dario Ferraro nhấn mạnh rằng các hiệu ứng lượng tử rất mong manh, dễ bị phá hủy bởi sự quan sát hoặc nhiễu loạn từ môi trường, điều này có thể hạn chế khả năng mở rộng.

Tương lai của pin lượng tử

Quach cho biết ông đã đạt được bước đột phá mới với thiết kế "cấu trúc lai" – kết hợp các thành phần lượng tử để sạc siêu nhanh với các lớp cổ điển để lưu trữ năng lượng lâu hơn, và đang chuẩn bị công bố kết quả. Ông cũng có kế hoạch kết hợp nhiều pin lượng tử siêu nhỏ để tăng tổng dung lượng.

Nếu thành công, pin lượng tử có thể ảnh hưởng lớn nhất đến điện toán lượng tử, giúp máy tính lượng tử tiêu thụ ít năng lượng hơn, chạy nhanh hơn và ít lỗi hơn. Quach cũng lạc quan về khả năng sạc xe điện "khi đang di chuyển" bằng tia laser trong tương lai.

Tuy nhiên, không phải ai cũng tin tưởng. Ferraro bày tỏ quan điểm hoài nghi: "Pin lượng tử khó có thể thay thế pin truyền thống trong các ứng dụng hàng ngày như điện thoại hay xe điện. Phạm vi tự nhiên của chúng là ở quy mô lượng tử."

Paternostro nhấn mạnh bài toán lớn nhất hiện nay là tận dụng lợi thế sạc lượng tử đồng thời trích xuất năng lượng ở trạng thái kiểm soát và sử dụng được. "Ai giải quyết được điều này sẽ tạo ra bước đột phá thực sự", ông kết luận.

Với người dùng Việt Nam, nơi thị trường xe điện và điện thoại thông minh đang phát triển nhanh, khái niệm pin lượng tử vẫn còn là tương lai xa. Nhưng nếu công nghệ này thành công, nó có thể thay đổi cách chúng ta nghĩ về năng lượng và sạc pin, mở ra một kỷ nguyên mới cho các thiết bị công nghệ.