양자 배터리 기술을 기반으로 하는 현재의 전기 자동차와 미래의 자동차를 비교한 그림이다. 양자 충전을 사용하면 일반 전기차에서 200배의 속도 향상이 일어나는데, 이는 충전 시간이 집에서 10시간에서 3분으로, 충전소에서 30분에서 9초로 단축된다는 것을 의미한다. 이미지: 기초 과학 연구소

태양광이든 융합이든, 조만간 인류 문명은 재생 가능한 에너지로 전환해야 한다. 나날이 증가하는 인류의 에너지 수요와 화석연료의 유한성을 고려할 때 이는 불가피한 일이다. 대체 에너지원을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되었으며, 대부분이 주요 에너지 운반체로 전기를 사용한다. 재생 에너지에 대한 광범위한 R&D는 전 세계가 재생 에너지로 실행되는 신제품 및 장치를 채택함에 따라 점진적인 사회적 변화를 동반했다. 가장 눈에 띄는 변화는 전기 자동차의 급속한 채택이다. 10년 전만 해도 도로에서는 거의 볼 수 없었지만 지금은 연간 수백만 대의 전기차가 판매되고 있다. 전기 자동차 시장은 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나이다. 

탄화수소 연료의 연소에서 에너지를 얻는 기존 자동차와 달리 전기 자동차는 에너지 저장 매체로 배터리에 의존한다. 오랫동안 배터리는 탄화수소가 제공하는 것보다 에너지 밀도가 훨씬 낮았기 때문에 초기 전기 자동차의 범위가 매우 낮았다. 그러나 배터리 기술의 점진적인 발전으로 결국 전기 자동차의 주행 범위는 휘발유 자동차와 비교하여 허용 가능한 수준 내에 있게 되었다. 배터리 저장 기술의 개선이 현재의 전기 자동차 혁명을 시작하기 위해 해결해야 하는 주요 기술적 병목 중 하나였다는 것은 아무리 강조해도 지나치지 않다.

그러나 배터리 기술의 엄청난 발전에도 불구하고 오늘날의 전기 자동차 소비자는 배터리 충전 속도가 느린 또 다른 어려움에 직면해 있다. 현재 자동차는 집에서 완전히 충전하는 데 약 10시간이 걸린다. 충전소에서 가장 빠른 슈퍼차저라도 차량을 완전히 충전하려면 최대 20~40분이 소요된다. 이는 추가 비용과 고객의 불편을 초래한다.

이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 양자 물리학 분야에서 답을 찾았다. 그들의 연구는 양자 기술이 더 빠른 속도로 배터리를 충전하는 새로운 메커니즘을 약속할 수 있다는 발견으로 이어졌다. 양자 배터리 기술은 2012년 Alicki와 Fannes가 발표한 획기적인 논문에서 처음 제안되었다.

얽힘과 같은 양자 자원을 사용하여 배터리 내의 모든 셀을 집단적으로 동시에 충전함으로써 배터리 충전 프로세스를 크게 가속화할 수 있다는 이론이 제기되었다.

이것은 현대의 고용량 배터리가 수많은 셀을 포함할 수 있기 때문에 특히 흥미진진하다. 이러한 집단 충전은 셀이 서로 독립적으로 병렬로 충전되는 기존 배터리에서는 불가능하다. 이 집단 충전 대 병렬 충전의 이점은 양자 충전 이점이라고 하는 비율로 측정할 수 있다. 2017년경, 연구자들은 이러한 양자적 이점 뒤에 두 가지 가능한 원인이 있음을 발견했다. 즉, 전역 작동(모든 세포가 다른 모든 세포와 동시에 대화하는 것, 즉 "모두 한 테이블에 앉아 있음")과 전체 대 전체 결합(즉, "많은 토론이 있지만 모든 토론에는 두 명의 참가자만 있다."). 그러나 이 두 가지 소스가 모두 필요한지, 달성할 수 있는 충전 속도에 제한이 있는지 여부는 불분명하다.

최근에 기초 과학 연구소(IBS) 내 복합 시스템 이론 물리학 센터의 과학자들은 이러한 질문을 추가로 탐구했다. Physical Review Letters 저널의 편집자 제안으로 선택된 이 논문은 양자 배터리에서 all-to-all 결합이 관련이 없으며 글로벌 작업의 존재가 양자 이점의 유일한 요소임을 보여주었다. 그룹은 더 나아가 다른 가능성을 배제하고 이러한 배터리를 설계하는 명시적인 방법을 제공하면서 이러한 이점의 정확한 원인을 찾아냈다.

또한 그룹은 이 방식에서 얼마나 많은 충전 속도를 달성할 수 있는지 정확하게 정량화할 수 있었다. 최대 충전 속도는 기존 배터리의 셀 수에 따라 선형적으로 증가하지만 글로벌 작동을 사용하는 양자 배터리는 충전 속도에서 2차 스케일링을 달성할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 이를 설명하기 위해 약 200개의 셀이 포함된 배터리가 있는 일반적인 전기 자동차를 생각해 보라. 이 양자 충전을 사용하면 기존 배터리에 비해 속도가 200배 빨라져 가정에서 충전 시간이 10시간에서 약 3분으로 단축된다. 고속 충전소에서는 충전 시간이 30분에서 불과 몇 초로 단축된다.

연구원들은 그 결과가 광범위하며 양자 충전의 의미는 전기 자동차와 소비자 전자 제품을 훨씬 능가할 수 있다고 말한다. 예를 들어, 한 순간에 많은 양의 에너지를 충전하고 방전해야 하는 미래의 핵융합 발전소에서 핵심 용도를 찾을 수 있다. 물론 양자 기술은 아직 초기 단계이며 이러한 방법이 실제로 구현되기까지는 갈 길이 멀다. 그러나 이와 같은 연구 결과는 유망한 방향을 제시하고 자금 지원 기관과 기업이 이러한 기술에 추가로 투자하도록 장려할 수 있다.