2021年11月1日，参会人员在2021量子产业大会上参观“九章”量子计算原型机模型

    在量子力学的推动下，量子电池有望应用于新能源汽车、有机光伏器件、光探测器、能量采集技术等涉及能量转换的领域并产生革新。

文/《环球》杂志记者 张漫子 编辑/马琼

　　随着人类能源需求的不断增加，化石燃料显现出不可回避的局限性。近年来飞速发展壮大的电动汽车，令电力这一可再生能源载体受到全球的广泛关注。

　　市场研究机构Canalys的统计数据显示，2021年全球电动汽车销量为650万辆，较2020年增长109%。其中中国大陆市场电动汽车的销量超过320万辆，约占全球电动汽车销量的一半。

　　尽管受到许多年轻消费者的追捧，但依靠电池供电的电动汽车依然存在亟待解决的短板：一方面，电动汽车电池的能量密度比碳氢化合物低得多，导致电池续航时间较短；另一方面，电池充电速度仍被诟病——既跟不上用户需求，也达不到加油站的加油速度。

　　为解决上述问题，科学家们正在向神秘的量子物理学领域寻找答案。

前沿成果

　　近日，韩国基础科学研究所复杂系统理论物理中心的科学家在国际著名物理学术期刊《物理评论快报》杂志刊文指出，采取“全局操作”（即电池组内所有电池可与其他电池同时交流）的“量子电池”有望将充电速度提高200倍。这意味着一辆电动汽车的充电时间将从大约10小时缩短到最快9秒。

　　其研究显示：传统电池的最快充电速度一般随着电池数量的增加而线性增加，但采用“全局操作”的量子电池充电速度可以实现平方增速。

　　无独有偶，不久前澳大利亚阿德莱德大学的研究人员及其合作者在《科学》杂志子刊《科学进展》上也发表了一篇论文，同样尝试通过“量子电池”实现充电时间的进一步缩短。

　　这两支研究团队都表示，“量子电池”将对可再生能源和微型电子设备中的能量捕获和存储产生重大影响。但与发表于《物理评论快报》的研究不同，澳大利亚研究人员采取的是基于一种量子集体效应来实现能量存储设备充电效率提升的途径。

　　研究人员介绍，超吸收是指分子状态之间的转变产生的建设性干扰。建设性干扰发生在各种波（光、声、水上的波）中，当不同的波加起来产生比任何一种波都更大的影响时，超吸收就会发生。与每个分子单独作用相比，超吸收效应使组合分子能够更有效地吸收光，继而提升充电速度。

分歧与争议

　　何为“量子电池”？目前这一概念是否已有定论？

　　中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员、博士生导师管习文说，量子电池是利用量子关联和纠缠特性来实现高效率的能量存储及传递的设备。然而“量子”这一词语的泛化，使得一部分本来属于化学反应的电池也被不严谨地计入量子电池行列——这一做法值得商榷。

　　“经典电池可利用量子物理的原理提升容量及充电速度，但其并非量子电池。量子电池的放电目标也必须是量子的，非常依赖电池及充电器量子初态的选择。” 管习文表示。

　　北京量子信息科学研究院研究人员魏世杰介绍，目前关于量子电池的研究大致分为两类，一类是通过量子力学特性实现存储和提取能量的量子电池，属于新材料新系统的设计与研发；另一类则是通过量子计算来改进现有电池的性能。这是两个不同领域。

　　在应用端，部分企业已尝试通过量子计算来改进现有电池的性能。“这需要设计高效的量子算法对电池的化学反应过程进行模拟。但模拟化学电池和计算电池化学反应，都不能算是严格意义上的量子电池。”中科院物理所一名研究人员告诉《环球》杂志记者。

　　多位受访科学家介绍，目前关于量子电池的研究还处于基础科研阶段，距离产业化还较为遥远。在过去几年中，中外学术界研究量子电池的方法多种多样，包括实现方案、电池功率和充电过程等。共性的一点是，在这些研究中，量子相干和纠缠对量子电池起着关键作用。

　　量子电池与经典电池原理不同。

　　经典电池通过将化学能转化为持续的电势差，以此为经典电路提供能量。量子电池系统由量子电池和充电器两部分组成，该系统充电和放电的过程是通过打开电池与充电器之间的交互哈密顿量来完成能量转移。

　　“多国科学家利用量子电池提升充电速度背后的原理是，量子电池可利用量子纠缠的特性进行全局操作，实现多个量子单元并行充电，从而大大提高充电效率。”魏世杰说。

　　北京航空航天大学物理学院教授、博士生导师张国锋表示，与经典电池相比，量子电池的优势体现在存储的能量、充能的功率与原子数的超线性等方面，其可直接为量子系统比如量子计算机提供可利用的能量而不会因供能而引起退相干。

　　“经典电池在高功率充电时伴随的发热、调控等问题，以及为量子设备供能时引入退相干因素，有望通过量子电池得到解决。” 张国锋说。

前景可期

　　中国科学家认为，量子电池研究在现阶段属于基础量子力学范畴，本质是关于量子态及动力学的研究。“似乎看起来有充电速度方面的优势，但具有应用性质的量子电池至今尚未实现，如何标定和刻画量子电池的指标也不够完善。”

　　尽管现状如此，管习文相信量子电池将来可能会用在量子体系之间的能量及量子信息的控制与交换中。

　　统计数据显示，到2040年，全球能源消耗水平预计将比2015年增加28%。尽管相当一部分能源仍来自于化石燃料，但这意味着巨大的环境污染代价。在量子力学的推动下，量子电池有望应用于新能源汽车、有机光伏器件、光探测器、能量采集技术等涉及能量转换的领域并产生革新。

　　“要让量子电池进一步发展，需要量子计算、材料科学等相关领域的科研机构与电池相关科技公司紧密合作。”魏世杰说，就量子电池系统的研究而言，满足条件的物理系统（材料）、精确操控这些系统的技术、设计具有最优性能的量子电池的方法、从量子电池中提取及使用能量的方法等问题，需要逐一解决。

　　一个有望最先实现的场景是，量子电池在量子计算机等量子设备中得到应用，为量子计算机提供量子能量源。

　　张国锋判断，随着技术进一步成熟，量子电池有望应用于需要高功率充电放电的场景中，如军事设备、应急响应装置等，可以极大缩短能量转移所需要的时间，加快响应速度。

　　然而，就接下来的应用而言，张国锋认为，量子电池在进入产业化之前，依然有许多问题需要解决。“比如，要找到更可靠、更易实现的高功率充电过程的系统，要找到提高能量存储时间的方法和原则，还需要在实验上对微观量子系统做到更有效的控制。再比如，其产业化还有赖于冷原子、微纳尺寸系统控制技术的成熟等。”

来源：2022年6月15日出版的《环球》杂志 第12期

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