전 세계는 태양광·풍력 등 재생에너지의 비중을 빠르게 확대하고 있다. 그러나 기존 배터리 기반의 에너지 저장 장치는 충전 속도와 효율성에서 한계를 보인다. 리튬이온 배터리는 안정성과 경제성에서 상당한 진전을 이루었지만, 여전히 충전 시간 단축과 수명 문제를 해결하지 못했다. 이러한 상황에서 양자 배터리(Quantum Battery)는 물리학적 차원에서 완전히 다른 접근법을 제시하며 주목받고 있다.

양자 배터리의 핵심은 양자 얽힘(Quantum Entanglement)과 초흡수(Superabsorption)이다. 양자 얽힘은 서로 떨어진 입자들이 즉각적으로 상태를 공유하는 특성을 의미하고, 초흡수는 다수의 원자가 협력적으로 에너지를 흡수하는 현상을 뜻한다. 이 두 가지 현상을 결합하면, 고전적 방식보다 훨씬 빠르고 효율적인 에너지 충전이 가능하다는 것이 최근의 연구 결과다.

최근 PSL 리서치(PSL Research)와 피사대(University of Pisa)의 공동 연구팀은 양자 얽힘을 활용해 '충전 속도가 고전적 한계를 넘어설 수 있음'을 이론적으로 입증했다. 연구진은 '원자 집합체를 양자적으로 결합'했을 때 충전 시간은 선형적으로 증가하지 않고, 집합체 크기에 따라 기하급수적으로 단축될 수 있음을 보여주었다.

이 모델은 아직 실험 단계에 머물러 있지만, Quantum Advantage(양자 우위)가 에너지 분야에서도 구현될 수 있음을 의미한다. 지금까지 양자 우위는 주로 계산(computation) 영역에서 논의되어 왔으나, 이번 연구는 '에너지 저장과 전송이라는 현실적 문제'에도 적용 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

연구 결과는 'Popular Mechanics'를 통해 소개되었으며, 물리학적 가능성을 산업적 현실로 끌어올릴 수 있는 차세대 기술로서 관심을 끌고 있다.

기존 배터리는 셀(cell)이 많아질수록 충전 속도가 개별적으로 분산되어, 전체 충전 시간이 비례적으로 늘어난다. 하지만 양자 배터리는 초흡수 효과 덕분에 다수의 셀이 '동시에 협력적으로 에너지를 흡수'할 수 있다. 이론적으로는 N개의 셀이 있을 때 충전 속도가 N배가 아니라 'N²에 비례'해 증가한다는 것이다.

이 메커니즘은 단순한 수학적 계산 이상의 의미를 가진다. 미래의 전기차, 대용량 에너지 저장 장치, 심지어 웨어러블 기기까지 충전 시간이 극적으로 단축될 수 있음을 의미하기 때문이다. “몇 분 충전으로 하루 사용”이라는 비전이 단순한 마케팅 문구가 아니라, '물리학적으로 가능해진 새로운 패러다임'으로 다가오는 셈이다.

양자 배터리 개념은 매혹적이지만, 실험적으로 풀어야 할 과제도 많다.

1. '탈코히런스(Decoherence) 문제': 양자 얽힘은 외부 환경과 상호작용할 때 쉽게 깨져버린다. 따라서 안정적인 얽힘을 유지하면서 충전·방전을 반복할 수 있는지가 가장 큰 도전이다.

2. '스케일 업(Scale-up)': 몇 개의 원자나 분자를 대상으로 한 실험적 모델은 성공했지만, 이를 실제 배터리 수준으로 확대했을 때 동일한 효과가 유지될지는 미지수다.

3. '재료 과학적 한계': 양자 효과를 유지할 수 있는 소재와 구조를 개발하는 일이 병행되어야 하며, 이는 기존 반도체·양자컴퓨팅 연구와도 밀접히 연결된다.

따라서 양자 배터리는 “언젠가”의 기술이지 “곧 상용화”되는 기술은 아니다. 그러나 반도체가 수십 년간 축적된 기초 물리학 연구의 산물인 것처럼, 양자 배터리 역시 장기적 투자와 연구를 통해 상용화의 길을 열 수 있다.

양자 배터리가 현실화된다면, 그 파급력은 단순히 충전 속도를 넘어설 것이다.

* '전기차 산업 혁신': 기존 리튬이온 배터리의 충전 시간을 몇 분 이내로 단축할 수 있어, 전기차 보급의 최대 걸림돌 중 하나를 해소한다.

* '재생에너지와 장기저장': 태양광과 풍력의 간헐성을 극복하기 위해 대규모 저장 장치가 필요하다. 양자 배터리는 계절 단위 전력 관리에 새로운 도구가 될 수 있다.

* '국가 에너지 전략': 희소 금속에 대한 의존도를 낮추고, 전력망 안정성을 강화하는 방향으로 정책적 변화를 촉발할 수 있다.

특히 한국과 같은 자원 의존도가 높은 국가에서는, 초기 연구 참여와 기술 확보가 향후 '에너지 안보와 산업 경쟁력'을 좌우할 수 있다. 이미 유럽과 미국에서는 양자 배터리 연구가 정부 연구과제와 민간 투자 대상으로 주목받고 있으며, 아시아 국가들 역시 관련 연구소와 스타트업을 통해 참여를 확대하고 있다.

양자 배터리가 당장 상용화되지는 않더라도, 이번 PSL 리서치와 피사대 연구팀의 발표는 명확한 방향성을 제시한다. '양자 얽힘과 초흡수 현상'이 결합하면, 충전 속도에서 고전적 배터리를 능가하는 것이 물리적으로 가능하다는 점이 증명된 것이다.

향후 10~20년간 기초 물리 연구와 재료 과학의 발전, 그리고 산업적 응용이 맞물리면, 우리는 양자컴퓨팅과 양자 배터리라는 ‘쌍두마차’를 통해 새로운 에너지·정보 혁명을 동시에 맞이할 수 있다. “언제나 빠르게 충전 가능한 세상”이라는 비전은 더 이상 공상과학의 영역이 아니라, 점차 다가오는 과학적 현실이 되고 있다.

Popular Mechanics, 2025, “Quantum Batteries Could Deliver Power Faster Than Classical Cells”, PSL Research & University of Pisa.

The global share of solar and wind energy is rapidly increasing. However, conventional battery-based energy storage devices face limitations in charging speed and efficiency. Lithium-ion batteries have made significant progress in terms of safety and cost-effectiveness, but they still cannot overcome the issues of long charging times and limited lifespans. In this context, the 'quantum battery' offers a fundamentally different approach at the level of physics and is gaining attention.

At the heart of quantum batteries lie 'quantum entanglement' and 'superabsorption'. Quantum entanglement refers to the phenomenon where particles share their states instantaneously, regardless of distance, while superabsorption describes how multiple atoms can cooperatively absorb energy. By combining these two phenomena, it becomes theoretically possible to charge energy much faster and more efficiently than through classical methods, according to recent studies.

A joint team from 'PSL Research' and the 'University of Pisa' recently demonstrated that charging speed can surpass classical limits by exploiting quantum entanglement. Their research showed that when 'atomic ensembles are quantum mechanically coupled', the charging time does not increase linearly but can instead decrease exponentially relative to the system size.

Although this model remains at the experimental stage, it provides evidence that 'Quantum Advantage' could be realized in the field of energy. Until now, discussions of quantum advantage have focused mainly on computation, but this study shows its potential application to 'real-world challenges in energy storage and transfer'.

The findings were featured in *Popular Mechanics* and have attracted interest as a next-generation technology that could transform physical possibility into industrial reality.

In conventional batteries, the more cells a system has, the more the charging process is distributed, meaning the total charging time increases proportionally. In contrast, quantum batteries leverage the effect of superabsorption, where multiple cells can 'absorb energy cooperatively and simultaneously'. Theoretically, with N cells, the charging speed scales not as N but as 'N²'.

This mechanism represents more than a mathematical curiosity. It suggests that future electric vehicles, large-scale energy storage systems, and even wearable devices could see charging times reduced dramatically. The vision of “a full day’s use after just a few minutes of charging” is no longer a marketing slogan, but a 'new paradigm that is physically possible'.

While the concept of quantum batteries is compelling, several hurdles must be addressed experimentally:

1. 'Decoherence Problem': Quantum entanglement is fragile and can collapse when interacting with the external environment. The biggest challenge is maintaining stable entanglement through repeated charging and discharging cycles.

2. 'Scale-Up': Experimental success has been demonstrated with small groups of atoms or molecules, but it remains uncertain whether the same effect can be preserved at the scale of practical batteries.

3. 'Materials Limitations': Developing materials and structures that can sustain quantum effects is essential, and this effort is closely tied to ongoing research in semiconductors and quantum computing.

Thus, quantum batteries are still a technology of the “someday,” not the “immediate.” Yet, just as semiconductors were the product of decades of fundamental research in physics, quantum batteries may also achieve commercialization through long-term investment and scientific progress.

If quantum batteries become a reality, their influence would go far beyond charging speed:

* 'Revolution in the EV Industry': Charging times for electric vehicles could be reduced to just a few minutes, removing one of the biggest barriers to mass adoption.

* 'Renewable Energy and Long-Term Storage': Large-scale storage devices are needed to address the intermittency of solar and wind power. Quantum batteries could provide a new tool for managing electricity at seasonal scales.

* 'National Energy Strategies': By reducing dependence on scarce metals and strengthening grid stability, they could drive policy shifts in energy security and industrial competitiveness.

For resource-dependent countries like South Korea, early participation in research and technology development could determine future advantages in 'energy security and industrial competitiveness'. In Europe and the United States, quantum battery research has already become the focus of government projects and private investment, while Asian countries are also expanding participation through research institutes and startups.

Even if quantum batteries are not commercialized immediately, the announcement by PSL Research and the University of Pisa provides a clear direction. The combination of 'quantum entanglement and superabsorption' has proven that surpassing classical batteries in charging speed is physically possible.

Over the next 10 to 20 years, with advances in fundamental physics, material science, and industrial applications, we may see the rise of 'quantum computing and quantum batteries as twin drivers' of a new revolution in both energy and information. The vision of “a world where devices can always be charged quickly” is no longer science fiction, but a scientific reality steadily approaching.

Popular Mechanics, 2025, “Quantum Batteries Could Deliver Power Faster Than Classical Cells”, PSL Research & University of Pisa.