2021年11月1日，參會人員在2021量子産業大會上參觀“九章”量子計算原型機模型

    在量子力學的推動下，量子電池有望應用於新能源汽車、有機光伏器件、光探測器、能量採集技術等涉及能量轉換的領域並産生革新。

文/《環球》雜誌記者 張漫子 編輯/馬琼

　　隨着人類能源需求的不斷增加，化石燃料顯現出不可回避的局限性。近年來飛速發展壯大的電動汽車，令電力這一可再生能源載體受到全球的廣泛關注。

　　市場研究機構Canalys的統計數據顯示，2021年全球電動汽車銷量為650萬輛，較2020年增長109%。其中中國大陸市場電動汽車的銷量超過320萬輛，約佔全球電動汽車銷量的一半。

　　儘管受到許多年輕消費者的追捧，但依靠電池供電的電動汽車依然存在亟待解決的短板：一方面，電動汽車電池的能量密度比碳氫化合物低得多，導致電池續航時間較短；另一方面，電池充電速度仍被詬病——既跟不上用戶需求，也達不到加油站的加油速度。

　　為解決上述問題，科學家們正在向神秘的量子物理學領域尋找答案。

前沿成果

　　近日，韓國基礎科學研究所複雜系統理論物理中心的科學家在國際著名物理學術期刊《物理評論快報》雜誌刊文指出，採取“全局操作”（即電池組內所有電池可與其他電池同時交流）的“量子電池”有望將充電速度提高200倍。這意味着一輛電動汽車的充電時間將從大約10小時縮短到最快9秒。

　　其研究顯示：傳統電池的最快充電速度一般隨着電池數量的增加而線性增加，但採用“全局操作”的量子電池充電速度可以實現平方增速。

　　無獨有偶，不久前澳大利亞阿德萊德大學的研究人員及其合作者在《科學》雜誌子刊《科學進展》上也發表了一篇論文，同樣嘗試通過“量子電池”實現充電時間的進一步縮短。

　　這兩支研究團隊都&&，“量子電池”將對可再生能源和微型電子設備中的能量捕獲和存儲産生重大影響。但與發表於《物理評論快報》的研究不同，澳大利亞研究人員採取的是基於一種量子集體效應來實現能量存儲設備充電效率提升的途徑。

　　研究人員介紹，超吸收是指分子狀態之間的轉變産生的建設性干擾。建設性干擾發生在各種波（光、聲、水上的波）中，當不同的波加起來産生比任何一種波都更大的影響時，超吸收就會發生。與每個分子單獨作用相比，超吸收效應使組合分子能夠更有效地吸收光，繼而提升充電速度。

分歧與爭議

　　何為“量子電池”？目前這一概念是否已有定論？

　　中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員、博士生導師管習文説，量子電池是利用量子關聯和糾纏特性來實現高效率的能量存儲及傳遞的設備。然而“量子”這一詞語的泛化，使得一部分本來屬於化學反應的電池也被不嚴謹地計入量子電池行列——這一做法值得商榷。

　　“經典電池可利用量子物理的原理提升容量及充電速度，但其並非量子電池。量子電池的放電目標也必須是量子的，非常依賴電池及充電器量子初態的選擇。” 管習文&&。

　　北京量子信息科學研究院研究人員魏世傑介紹，目前關於量子電池的研究大致分為兩類，一類是通過量子力學特性實現存儲和提取能量的量子電池，屬於新材料新系統的設計與研發；另一類則是通過量子計算來改進現有電池的性能。這是兩個不同領域。

　　在應用端，部分企業已嘗試通過量子計算來改進現有電池的性能。“這需要設計高效的量子算法對電池的化學反應過程進行模擬。但模擬化學電池和計算電池化學反應，都不能算是嚴格意義上的量子電池。”中科院物理所一名研究人員告訴《環球》雜誌記者。

　　多位受訪科學家介紹，目前關於量子電池的研究還處於基礎科研階段，距離産業化還較為遙遠。在過去幾年中，中外學術界研究量子電池的方法多種多樣，包括實現方案、電池功率和充電過程等。共性的一點是，在這些研究中，量子相干和糾纏對量子電池起着關鍵作用。

　　量子電池與經典電池原理不同。

　　經典電池通過將化學能轉化為持續的電勢差，以此為經典電路提供能量。量子電池系統由量子電池和充電器兩部分組成，該系統充電和放電的過程是通過打開電池與充電器之間的交互哈密頓量來完成能量轉移。

　　“多國科學家利用量子電池提升充電速度背後的原理是，量子電池可利用量子糾纏的特性進行全局操作，實現多個量子單元並行充電，從而大大提高充電效率。”魏世傑説。

　　北京航空航天大學物理學院教授、博士生導師張國鋒&&，與經典電池相比，量子電池的優勢體現在存儲的能量、充能的功率與原子數的超線性等方面，其可直接為量子系統比如量子計算機提供可利用的能量而不會因供能而引起退相干。

　　“經典電池在高功率充電時伴隨的發熱、調控等問題，以及為量子設備供能時引入退相干因素，有望通過量子電池得到解決。” 張國鋒説。

前景可期

　　中國科學家認為，量子電池研究在現階段屬於基礎量子力學範疇，本質是關於量子態及動力學的研究。“似乎看起來有充電速度方面的優勢，但具有應用性質的量子電池至今尚未實現，如何標定和刻畫量子電池的指標也不夠完善。”

　　儘管現狀如此，管習文相信量子電池將來可能會用在量子體系之間的能量及量子信息的控制與交換中。

　　統計數據顯示，到2040年，全球能源消耗水平預計將比2015年增加28%。儘管相當一部分能源仍來自於化石燃料，但這意味着巨大的環境污染代價。在量子力學的推動下，量子電池有望應用於新能源汽車、有機光伏器件、光探測器、能量採集技術等涉及能量轉換的領域並産生革新。

　　“要讓量子電池進一步發展，需要量子計算、材料科學等相關領域的科研機構與電池相關科技公司緊密合作。”魏世傑説，就量子電池系統的研究而言，滿足條件的物理系統（材料）、精確操控這些系統的技術、設計具有最優性能的量子電池的方法、從量子電池中提取及使用能量的方法等問題，需要逐一解決。

　　一個有望最先實現的場景是，量子電池在量子計算機等量子設備中得到應用，為量子計算機提供量子能量源。

　　張國鋒判斷，隨着技術進一步成熟，量子電池有望應用於需要高功率充電放電的場景中，如軍事設備、應急響應裝置等，可以極大縮短能量轉移所需要的時間，加快響應速度。

　　然而，就接下來的應用而言，張國鋒認為，量子電池在進入産業化之前，依然有許多問題需要解決。“比如，要找到更可靠、更易實現的高功率充電過程的系統，要找到提高能量存儲時間的方法和原則，還需要在實驗上對微觀量子系統做到更有效的控制。再比如，其産業化還有賴於冷原子、微納尺寸系統控制技術的成熟等。”

來源：2022年6月15日出版的《環球》雜誌 第12期

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