什么是量子电池？它何时能为我的笔记本电脑供电？

现代电池在其224年的历史中取得了长足的进步。我们现在有了全麦饼干大小的电池，可以在需要充电前使用好几天的时间，而不是亚历山德罗·沃尔塔（Alessandro Volta）的成堆的金属盘和浸泡过盐水的布。

但目前市场上设备的上限是什么？要打破这个上限，必须克服什么样的技术挑战？这些障碍什么时候会被清除？能源储存的未来又是什么？

世界各地的一些科学家正在研究一个答案：一种利用量子物理学定律而不是经典物理学来保持电荷的电池技术。这是一条漫长的道路，但罗马不是一天建成的，当然也不是一天就能通电的。

最基本、最受欢迎的电池

电池是一种利用化学反应产生电能的技术。家用电池通过电路中的电子流产生电能。几个世纪以来，不同的电池被开发出来；人们认为本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）在1749年的一封信中创造了“电池”这个词。

让我们来看看几种不同的电池，它们大多是以科学家的名字命名的，这些科学家利用各种酸和金属的化学反应开发出了各种电池。1859年，我们发明了铅酸电池，这是第一个通过系统反向电流充电的电池。在20世纪后期，锂离子电池开始流行，并且基本上一直流行至今，使用不同排列的锂与其他金属和磷酸盐结合。但是纵观现代电池的历史，化学反应产生电能的基本原理并没有改变。

好吧，别管电池了。“量子”到底是什么？

让我们大致回顾一下量子物理学。量子态的粒子在一套完全不同的规则下运作，与你周围看到的一切完全不同，从云中的水到流经你静脉的血管。粒子在极端条件下进入量子态：极冷的温度和真空。在这些条件下，粒子可以同时扮演多种角色，这使得它们可以用于执行复杂的数学运算（如量子计算机所做的），并检查时间旅行（在某种意义上）是否可能。

量子系统也可以表现出纠缠，这是一种两个或多个量子粒子定义彼此特征的现象。在量子计算机中，数组中的原子携带给定操作所需的信息，就像普通计算机中的比特一样。这些原子是量子比特，或量子位。

但量子运算是微妙的。量子系统中的任何一个值一旦确定，操作就会崩溃。整个系统 —— 例如，数组中的原子 —— 然后回到经典状态。

量子态可以持续很长时间。以时间晶体为例，这是2012年首次提出的一种物质状态，物理学家今年早些时候表示，它可以持续至少40分钟，比其他已知晶体长约1000万倍。这些晶体与量子电池相去甚远，但展示了一些量子系统通常是多么短暂 —— 如果我们要依靠这种体制来供电，这是一个需要解决的重要问题。

那么，量子力学的规则是如何应用于电池的呢？电池是一种技术，可以让你在手机充电后继续阅读这篇文章，甚至做更多的事情。

“这将相当于传统电池，充电需要几分钟，却能够保持数百年的电量。”

量子电池，就像目前想象的那样

像普通电池一样，量子电池 —— 正如人们想象的那样 —— 储存能量。但相似之处就到此为止了。与既充电又消耗电池储存能量的化学反应不同，量子电池是由量子纠缠或将电池与其源更紧密地连接在一起的行为提供动力的。

“量子电池由许多量子电池单元组成，它们的作用就像一个巨大的量子电池。”韩国首尔国立大学的量子研究员金柱妍（Ju-Yeon Gyhm）解释道。“挑战在于如何长时间保持量子特性。”

由于量子电池与量子计算机具有相同的特性，因此必须克服一个重大的技术挑战，才能使这项技术在研究环境之外成为现实：物理学家必须弄清楚如何在最精心管理的研究环境之外保持量子系统的微妙状态。室温超导体将是这样一个圣杯，但这些天唯一声称有这种发现的人，在几个月内就被揭穿了。

“平衡状态下的热力学，并没有限制能量转化为热量和功的速度，”一个由五名科学家组成的团队在最近的量子电池研讨会上写道，该研讨会目前在预印本服务器arXiv上举办。“因此，在被赶出平衡的量子系统中寻找热力学量子优势似乎是很自然的。”

该小组接着指出，量子纠缠与多体量子系统中能量的存储速度有关，这一发现促使人们将量子系统作为能量存储设备进行研究。

2018年，一个团队对Dicke量子电池进行了建模，这是第一个提出存在于固态架构中的量子电池。2022年，一个团队在实验室环境中使用目标、镜子和激光测试了量子电池的基本框架。

最近的实验正在探索这个问题

去年年底，一组量子研究人员提出了一种系统，通过该系统，量子电池可以以无限期因果顺序（ICO）充电。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，认为带有ICO的充电系统可以优于传统的充电协议。

“粗略地说，ICO可以用来构建量子过程，这在标准量子理论中是不可能的，在标准量子理论中，因果顺序必须是确定的或固定的，”东京大学研究员、该研究的第一作者陈元波（音译）在一封电子邮件中说。“这种灵活性允许更广泛的量子过程，其中一些可以显示出有利和有趣的特性。”

“我们看到系统中储存的能量和热效率都有了巨大的提高。有点违反直觉的是，我们发现了相互作用的惊人效果，这与你可能期望的相反：使用相同的设备，低功率充电器可以提供更高的能量，效率更高，”陈元波当时说。

不同的量子电池系统实验设置 —— 无论是提出的还是实现的 —— 意味着在这种未来技术的设计上有不同的创新途径。上个月，来自格但斯克大学和卡尔加里大学的一个团队提出了一种量子电池充电系统，该系统可以最大限度地提高电池中存储的能量，同时最大限度地减少充电过程中耗散（或损失）的能量。该团队重新设计的部分内容是将量子电池及其充电器耦合到同一个储存器上，产生类似干涉的模式，从而提高两者之间能量转移的效率。研究小组估计，通过新的充电过程，电池可以储存比传统充电器多四倍的能量。

澳大利亚阿德莱德大学的量子研究员詹姆斯·夸奇（James Quach）在一封电子邮件中说：“量子电池的行为更像是分子或原子一致行动的波，而在传统电池中，分子或原子更像是单个粒子。这种集体行为是量子电池超广泛充电特性的基础，为更大容量的量子电池充电所需的时间更少。”

2022年，詹姆斯·夸奇领导的一个团队测试了量子电池的基本框架，他们将一种名为“Lumogen-F orange”的分子染料放入一个小腔中，并对其进行脉冲光照射，看看它是如何储存光子传递的能量的。研究小组发现，该系统的充电速度非常快，而且，更大的系统通常应该充电更快。

詹姆斯·夸奇说：“目前，给一个量子电池充电需要毫微微秒，这个电池可以在纳米到毫秒的时间内存储大约1微焦耳的能量。虽然这听起来时间不长，但它的储存时间实际上是充电时间的数百万倍。相比之下，这相当于一个需要几分钟充电的传统电池，能够保持数百年的电量。”

据《新科学家》杂志报道，一些物理学家认为，量子电池的充电时间与系统中量子比特的数量成反比；换句话说，电池越大，充电速度就越快。

所以 … 我什么时候能买到量子电池？

量子电池的研究正获得越来越多的关注，但它仍然处于起步阶段。尽管他们的承诺是非凡的，但这项技术的最终设计将是什么，仍然是一个悬而未决的问题。商业化？这只是目前最具商业头脑的物理学家眼中的闪光。

主要的问题仍然是让量子系统在扩大规模时保持在量子态。詹姆斯·夸奇认为，量子电池可以用作手机和汽车的移动能源，但目前许多量子系统需要非常寒冷、无噪声的条件才能保持这种状态。亲爱的读者，我不是要打击你的士气，但在我们的设备中，核聚变可能比量子电池更接近现实。

尽管许多持怀疑态度的人不愿承认这一点，但我愿意承认自己说错了。唯一比正确更好的事，就是以错误为代价，让世界变得更美好。量子电池可以比传统设备充电更快、更有效，并且可以与用于高级模拟和测量的新兴量子技术相结合。一种完全可操作的量子电池尚未被证明，但根据最近的研讨会，这种技术可以彻底改变我们收集、传递和控制能量的方式。鉴于人类对电力的明显依赖，能源储存可能会有一个巨大的飞跃。

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