量子电池能储存什么

量子电池技术正在接近一个拐点，类似于十多年前量子计算所经历的拐点，将它从一个理论上的好奇心升级为一个值得解决的工程挑战。

量子电池利用极小的物理定律——量子世界——来获得比传统电池更大的性能优势。最近关于充电速度优势和无损耗存储的研究表明，这项技术将在未来三到五年内增长。

量子世界是概率的，而不是确定性的，这适用于量子电池和量子计算机。例如，如果一个能量存储单元在经典世界中表现出基态或激发态，那么它在量子世界中则表现为两者的涂抹，这可以用概率函数来描述。

同样，同一单位在状态之间转换的可能性也可以用概率函数来定义。这个函数被称为转变振幅，它是解释为什么量子电池具有优势的关键。

一个澳大利亚-意大利-英国的研究小组发表了一份研究报告纸在今年的《科学进展》杂志上发表了一篇关于光敏染料分子的文章，这种分子被称为Lumogen-F Orange，可以用作存储单元。研究人员将这些单元以不同大小的组限制在一个光学微腔(量子电池原型)中，并测量光子能够激发不同组的速率。

“我看到了(量子电池)的潜力，如果有人能在实验室里实现这一点，”构思和管理该项目的詹姆斯·奎奇(James Quach)说。“我想把它从黑板上拿出来，带到实验室去。”

作为量子单位，每个染料分子都有自己的跃迁振幅，描述了它从基态跃迁到激发态的概率。

Superextensive充电
当染料分子的跃迁振幅被允许相互干扰时，量子电池的魔力就显现出来了。

Quach说:“量子电池的工作方式是，当你把它们置于相干状态时，这些跃迁振幅就会像波相互干扰一样相互干扰，当它们相互干扰时产生波峰，当它们具有破坏性时产生波谷。”“通过这种建设性的干扰，整个系统的综合转变幅度大于单个部分的总和，如果它们不是一个整体的话。”

相比之下，在传统世界中，向电池输送能量的最快方式是通过并行充电配置，其中每个电池都同时充电。在这种情况下，电池的充电速度受到单个电池充电速度的限制。

Quach的团队在他们的量子演示中发现，这种干扰使电池作为一个整体比经典的并行设置充电得更快。更棒的是，他们发现充电速度是“超广泛的”，这意味着随着越来越多的染料分子(存储单元)被添加到电池中，充电速度会提高。

这种微腔装置首次从物理上证明了超广泛的能量吸收——超吸收——Quach说这种现象可以造福于从小型消费电子产品到电动汽车和电网级存储系统的一切。

跨栏和界限
这种超宽速度的极限在哪里一直是韩国大田基础科学研究所(IBS)的Juyeon Kim感兴趣的课题。去年，Kim和同事Dominik Safranek和Dario Rosa发表了一篇论文纸在《物理评论快报》上量化了量子充电优势的界限——量子充电速度与经典充电速度的比值。

他说:“我想为一般情况下的预期力量做出非常严格的限制。”“在传统电池中，功率随着平行电池的数量而增加。但在量子电池中，我们可以使功率随着电池数量的平方而增加。”

然而，在实践中，Quach的团队发现他们的电池的充电速度只能与N的平方根相匹配，这一差异使得人们有必要更深入地研究量子电池的实现选项。

这些设备的充电优势来自于一种被称为“集体充电”的效应，在这种效应中，电池的各个单元真正地共享电池的电源——在某种程度上，相互通信——而不是传统电池的每个单元都为自己的策略。

“集体收费是一种捷径，”Kim说。“我们可以(在经典的设置中)分离细胞，没有其他影响。但在量子电池中，如果我们想要量子优势，如果我们想要集体充电，我们就不能分开电池。”

量子电池可以利用两种量子现象之一来实现集体充电——量子纠缠或量子相干。

量子纠缠被阿尔伯特·爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”，它存在地将粒子连接在一起，尽管物理分离，但允许它们表现为一个单一单元。尽管Kim的团队在量化量子优势的论文中专注于纠缠，但他们也承认它的脆弱性。

金说:“这种纠缠很容易被环境打破”，而且众所周知难以维持。例如，量子计算机倾向于在接近绝对零度的温度下运行，以追求纠缠寿命。

由于这个原因，Quach看到了更实用的相干路线，即使它提供的量子优势较少。虽然量子相干也容易坍缩，但它比纠缠更能保持稳定性，即使在室温下也是如此。

此外，除了超吸收之外，光学腔原型还证明，如果明智地应用于量子电池，退相干可以帮助控制其存储和放电阶段。或者换个角度看，一点坏事实际上可能是好事。

Quach解释说:“由于量子力学是时间对称的，如果我很快给电池充电，它应该很快放电。”“但退相干使其不对称，这意味着你可以快速充电，但随后它会因退相干而放电非常缓慢。

无损耗的存储
阿尔伯塔大学(University of Alberta)与多伦多大学(University of Toronto)的科学家在2019年发表了一项研究，详细介绍了这种打破对称性的扰动，以及量子电池如何利用它们进入暗态并实现无损耗能量存储。

“对称保护暗态的使用有效地将电池与其环境分离，使得完美地存储激发能量成为可能，”《物理化学杂志》C论文中写道。“与传统的电化学电池相比，带电激子量子电池在环境存在的情况下不会随着时间的推移而‘放电’，这是源于系统量子性质的一个显著特征。”

作为其量子电池原型，该研究研究了一种积累激子的对苯类结构，并对该结构进行了数值模拟，证明了对环境诱导损失的免疫力。

可能的变化
这篇无损耗的论文是第一批在耗散环境中探索量子电池的论文之一，以及真实世界的光学腔演示，可能预示着研究人员如何研究这项技术的转变。

马萨诸塞大学量子热力学研究员胡兹尔·辛格纳(Juzar Thingna)说:“传统上，因为这总是最简单的方法，大多数涉及量子电池的工作最初都是研究孤立的量子系统，也就是不与环境相互作用的子系统。”“目标太简单了。”

然而，耗散环境代表了“真实的情况，而不是量子系统完全孤立的理想情况，”Thingna说。关注焦点转向这些设备将如何与它们的父系统交互，这表明该领域正在向现实靠拢。

Quach说，转变的另一个原因是认识到量子电池面临的问题与量子计算机面临的问题不同，以及这种认识如何有助于快速跟踪量子电池的商业应用。

他说:“量子计算中任何形式的退相干(都会破坏它)。”“这根本不管用。这就是量子计算面临的挑战。但退相干对量子电池来说是件好事，正因为如此，量子计算的巨大障碍不适用于量子电池。从某种意义上说，它比量子计算简单得多，但开始得晚得多。”

应用程序
“那么为什么要采用量子技术呢?Thingna问。“如果传统电池工作得很好，我为什么要用量子电池呢?它在储存能量。它在做它该做的事。为什么我需要投资10亿或20亿美元来做同样好的事情呢?”

当然，充电速度快、容量大、存储无损耗的电池将在世界上找到自己的位置。

今年早些时候，IBS关于量子充电优势的论文吸引了一些媒体的关注，部分原因是它为外行提供了量子电池的前景——它们可以被用来更快地为电动汽车充电。然而，尽管将10小时的充电时间压缩到几秒钟的前景吸引了公众的注意力，但电动汽车的充电器电源和一致性保护等实际考虑仍处于研究阶段。

Quach相信，量子电池的首批应用之一将是光收集，它通过太阳提供一种伪无处不在的电源，巧妙地绕过了充电功率的限制。他打算通过扩大光敏量子电池的规模来扩展他现有的工作。

他说:“超吸收的理念是它应该比传统吸收更好地吸收，因此我们希望它将太阳能电池技术提升到一个新的水平。”但他指出，消费电子产品和电动汽车远远落后。他说，如果资金充足，消费者应用程序将在三到五年内问世。

Thingna设想公共交通——需要续航里程和快速充电周转的大型列车——是量子电池使用的主要候选者。但即使没有快速充电和无损耗存储的诱惑，工程师们也必须很快与量子电池竞争。“我们很快就会把东西小型化，”他说。“我们已经在这条路上了。小型化的问题是，如果你做得太小，你所有的设备都会遇到瓶颈，你的经典物理定律将不再适用。你无法回避量子物理。”