首个运作中的量子电池证明规模更大确实意味着速度更快

简要介绍

• 澳大利亚科学家打造了首个可工作的量子电池原型。
• 量子电池随着规模扩大充电速度加快，突破了经典极限。
• 这一突破可能为未来的量子计算机提供动力，但尚未面向消费者设备。

你的手机充电需要一个小时。你的电动车要整夜充电。这种“容量越大，等待越久”的权衡已深深嵌入电池的工作方式，以至于没人再质疑它。澳大利亚科学家刚刚制造出一种完全打破这一规则的东西。 澳大利亚国家科学机构CSIRO（联邦科学与工业研究组织）与皇家墨尔本理工大学（RMIT）和墨尔本大学的团队合作，公布了世界上第一个可工作的量子电池原型。 这是一种实际的物理设备，能够充电、储存能量并放电——使用量子物理的规则而非化学反应。他们的研究成果于周三发表在《自然光：科学与应用》上。 该原型是一片微小的有机材料层状晶片，就像一个纳米级的三明治，通过激光脉冲无线充电。这个脉冲持续飞秒级时间。飞秒是一千万亿分之一秒。设备在这个时间窗口内充电，然后在纳秒级时间内保持能量——比充电所用时间长约六个数量级。

这个差距听起来并不令人印象深刻，直到你将其放大。“如果我们能在一分钟内充满电，电池可以保持充电状态数年，”首席研究员詹姆斯·夸奇（James Quach）解释道。物理学已经验证了这一点。现在的挑战是延长存储能量在实际设备中的持续时间。 真正奇特的部分不是速度，而是其缩放行为。 传统电池随着容量增加，充电变得更慢。容量越大，所需时间越长，但量子电池则相反。装入的分子越多，每个分子的充电速度越快——因为在量子层面，它们不再单独行动，而是集体表现，共享输入的能量，形成一个协调的突发，研究人员称之为“超吸收”。

技术上讲，研究人员表示，充电时间与1/√N成反比，其中N是分子数。电池容量翻倍，充电时间几乎减半，依此类推。 “我们的研究结果证实了一种根本的量子效应，完全出乎意料：量子电池越大，充电越快，”夸奇告诉墨尔本大学。“目前的电池并不这样工作。” 这一特性自2013年以来就被数学预测，2022年已展示过部分版本。此次不同之处在于完整的循环：团队找出了如何将储存的能量以电流形式抽出的方法，这是之前任何量子电池实验都未能实现的。该设备还能在室温下运行——相较于中国和西班牙的超导方案（需要低温冷却），具有实际优势。 目前的应用还不是你的电动车或类似设备。原型的总容量以十亿分之一电子伏特计，尚不足以在现实中驱动任何设备。但量子计算机则是另一回事。这些系统已比大多数预期发展得更快，它们面临一个特定的能量问题：它们微妙的量子状态需要以相干的方式提供能量，而不能受到传统电子噪声的干扰。量子电池用相同的量子语言为这些处理器充放电。 “量子电池可以以相干的方式提供能量，且能量成本最低，适合量子计算机，”昆士兰大学量子技术实验室负责人、未参与此次研究的安德鲁·怀特教授告诉《数字新闻》。 CSIRO已在寻求合作伙伴，包括电动车制造商和深科技投资者，以推动这项研究的进一步发展。理论方面已领先硬件十年，而硬件刚刚赶上。