盡管電動(dòng)汽車(chē)使用可以極大節(jié)能環(huán)保，但電池續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題一直是老司機(jī)望而卻步的重要原因。那么如何解決快速充電且提高續(xù)航里程問(wèn)題呢?量子電池技術(shù)是否能夠化解，為什么這項(xiàng)技術(shù)會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電產(chǎn)生重大影響?

　　什么是量子電池?國(guó)外三位專(zhuān)家這樣解釋?zhuān)?/strong>

　　Dario：簡(jiǎn)單地說(shuō)，是這樣的：量子電池處于量子態(tài)，我們可以將量子態(tài)視為計(jì)算機(jī)中“比特”的量子版本。你可以通過(guò)從非常低能量的狀態(tài)開(kāi)始并執(zhí)行充電過(guò)程，將能量與量子態(tài)相關(guān)聯(lián)。把低能狀態(tài)帶到另一種狀態(tài)——這種狀態(tài)具有高能量，能量存儲(chǔ)在該狀態(tài)下，并且可以在稍后階段通過(guò)將狀態(tài)恢復(fù)到原始配置來(lái)使用。

　　Dominik：在經(jīng)典電池中放電時(shí)會(huì)改變電池的基本化學(xué)成分，這是一樣的，但現(xiàn)在使用的是量子態(tài)。在量子計(jì)算機(jī)中，它們使用超導(dǎo)量子比特。這些也處于量子態(tài)，因?yàn)樗鼈兛梢跃哂胁煌哪芗?jí)。最終，量子電池之于經(jīng)典電池，就像量子計(jì)算機(jī)之于經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣。

　　Dario：2012年出現(xiàn)的一個(gè)新想法，是問(wèn)：我們是否可以利用一個(gè)狀態(tài)的能級(jí)來(lái)儲(chǔ)存我們的能量一段時(shí)間，然后使用它?這就產(chǎn)生了量子電池的想法。這意味著，需要將狀態(tài)提升到一個(gè)高度激發(fā)的點(diǎn)，并保持這種能量，隨后在需要時(shí)釋放這種能量。

　　前沿成果

　　量子電池技術(shù)正在接近一個(gè)類(lèi)似于十年前量子計(jì)算的拐點(diǎn)，將其從理論好奇心升級(jí)為值得解決的工程挑戰(zhàn)。

　　量子電池利用奇妙量子世界中的物理定律來(lái)獲得優(yōu)于傳統(tǒng)電池的性能優(yōu)勢(shì)。最近關(guān)于充電速度優(yōu)勢(shì)和無(wú)損耗存儲(chǔ)的研究表明，這項(xiàng)技術(shù)將在未來(lái)三到五年內(nèi)增長(zhǎng)。

　　量子世界是概率性的，而不是確定性的，這適用于量子電池和量子計(jì)算機(jī)。例如，如果一個(gè)儲(chǔ)能單元在傳統(tǒng)世界中表現(xiàn)出基態(tài)或激發(fā)態(tài)，那么它在量子世界中實(shí)質(zhì)上以“概率波”的形式出現(xiàn)，這可以用概率函數(shù)來(lái)描述。

　　同樣，同一單位在狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的可能性也可以用概率函數(shù)來(lái)定義。這個(gè)函數(shù)被稱(chēng)為躍遷幅度，它是解釋為什么量子電池具有優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

　　今年4月，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)的研究人員提出了一種量子電池的新理論，可將電動(dòng)汽車(chē)的充電速度提高200倍，這意味著在家充電時(shí)間將從10小時(shí)減少到大約3分鐘。在高速充電站，充電時(shí)間將從30分鐘縮短到僅僅幾秒鐘。相關(guān)論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

　　澳大利亞、意大利、英國(guó)研究小組今年在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于光敏染料分子的論文，稱(chēng)為L(zhǎng)umogen-F Orange，可用作存儲(chǔ)單元。研究人員將這些單元限制在不同大小的組中，在光學(xué)微腔中-量子電池原型-并測(cè)量光子能夠激發(fā)不同組的速率。

　　“我看到了(量子電池)的潛力，如果有人能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，”構(gòu)思和管理該項(xiàng)目的James Quach說(shuō)?！拔蚁氚阉鼜暮诎迳夏贸鰜?lái)，放進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

　　作為量子單位，每個(gè)染料分子都有自己的躍遷幅度，描述了它從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的概率。

　　超快充電

　　當(dāng)染料分子的躍遷幅度被允許相互干擾時(shí)，量子電池的魔力就出現(xiàn)了。

　　“量子電池的工作方式是，當(dāng)你將它們置于相干狀態(tài)時(shí)，這些躍遷振幅會(huì)以波相互干擾的方式相互干擾，并在它們建設(shè)性地干擾時(shí)產(chǎn)生波峰，當(dāng)它們具有破壞性時(shí)產(chǎn)生波峰，”Quach說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)這種建設(shè)性干擾，如果它們不作為一個(gè)整體，整個(gè)系統(tǒng)的綜合過(guò)渡幅度大于各個(gè)部分的總和。

　　相比之下，在傳統(tǒng)世界中，將能量輸送到電池中的最快方法是通過(guò)并行充電配置，其中每個(gè)電池同時(shí)充電。在這種設(shè)置中，電池的充電速度受到單個(gè)電池充電速度的限制。

　　Quach的團(tuán)隊(duì)在他們的量子演示中發(fā)現(xiàn)的是，干擾允許整個(gè)電池比經(jīng)典的并聯(lián)設(shè)置充電得更快。更值得一提的是，他們發(fā)現(xiàn)充電速度是“超快的”，這意味著隨著越來(lái)越多的染料分子(存儲(chǔ)單元)被添加到電池中，充電速度會(huì)增加。

　　微腔裝置首次在物理上展示了超廣泛的能量吸收-超吸收-Quach說(shuō)這種現(xiàn)象可以從小型消費(fèi)電子產(chǎn)品到電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)系統(tǒng)中受益。

　　障礙和界限

　　韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS))的Juyeon Kim感興趣的主題正是這種超廣域速度的極限所在。去年，Kim和其他研究人員Dominik Safranek和Dario Rosa在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一篇論文，量化了量子充電優(yōu)勢(shì)的界限——量子充電速度與傳統(tǒng)充電速度的比值。

　　“我想為一般情況下的預(yù)期功率制定一個(gè)非常嚴(yán)格的界限，”Kim說(shuō)。“在傳統(tǒng)電池中，功率隨著并聯(lián)電池的數(shù)量而增加。但在量子電池中，我們可以使功率隨著電池?cái)?shù)量的平方而增加。

　　然而，在實(shí)踐中，Quach的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的電池充電速度只能與N的平方根成正比，這一差異值得更深入研究量子電池的實(shí)施方案。

　　這些設(shè)備的充電優(yōu)勢(shì)源于一種稱(chēng)為集體充電的效應(yīng)，其中電池單元真正共享電池的電源-以某種方式相互通信-而不是傳統(tǒng)電池的每節(jié)電池為自身的策略。

　　“集體充電是一種捷徑，”Kim說(shuō)?！拔覀兛梢赃x擇分離電池(在傳統(tǒng)裝置中)，而且沒(méi)有其他影響。但在量子電池中，如果我們想要量子優(yōu)勢(shì)，如果我們想要集體充電，我們就無(wú)法將電池分開(kāi)。

　　量子電池可以利用兩種量子現(xiàn)象之一來(lái)實(shí)現(xiàn)集體充電-量子糾纏或量子相干性。

　　量子糾纏，被愛(ài)因斯坦稱(chēng)之為“遠(yuǎn)處的幽靈行動(dòng)”，它將將粒子連接在一起，使它們能夠在物理分離的情況下作為一個(gè)單元運(yùn)行。盡管Kim的團(tuán)隊(duì)在他們的論文中專(zhuān)注于量化量子優(yōu)勢(shì)的糾纏，但他們也承認(rèn)其脆弱性。

　　Kim說(shuō)，“糾纏很容易被環(huán)境打破”，而且眾所周知，很難維持。例如，量子計(jì)算機(jī)傾向于在接近絕對(duì)零度的溫度下運(yùn)行，以追求糾纏壽命。

　　出于這個(gè)原因，Quach在相干性路線(xiàn)上看到了更多的實(shí)用性，即使它提供的量子優(yōu)勢(shì)較少。雖然量子相干性也容易崩潰，但它即使在室溫下也能比糾纏更好地保持穩(wěn)定性。

　　此外，除了超吸收之外，光學(xué)腔原型還表明，如果明智地應(yīng)用于量子電池，退相干可以幫助控制其存儲(chǔ)和放電階段。或者從這個(gè)角度來(lái)看，一點(diǎn)點(diǎn)壞事實(shí)際上可能是好的。

　　“如果我很快給電池充電，因?yàn)榱孔恿W(xué)是時(shí)間對(duì)稱(chēng)的，它應(yīng)該會(huì)很快放電，”Quach 解釋說(shuō)。 “但是退相干使這種不對(duì)稱(chēng)性，這意味著你可以快速充電，但隨著退相干，它會(huì)非常緩慢地放電。

　　前景可期

　　那么為什么要量子化?如果傳統(tǒng)電池工作正常，為什么需要使用量子電池?為什么還需要投入幾億甚至幾百億的資金來(lái)做一些同樣好的事情呢?”

　　當(dāng)然，具有充電速度的電池可以大規(guī)模蓬勃發(fā)展并提供無(wú)損耗存儲(chǔ)，這將在世界上占有一席之地。

　　今年早些時(shí)候，IBS 關(guān)于量子充電優(yōu)勢(shì)的論文引起了一些媒體的關(guān)注，部分原因是它為量子電池的前景提供了一個(gè)通俗易懂的途徑——它們可以用來(lái)更快地為電動(dòng)汽車(chē)充電。但是，盡管將 10 小時(shí)的充電時(shí)間壓縮為幾秒鐘的前景引起了公眾的關(guān)注，但充電功率和相干保護(hù)等實(shí)際考慮因素仍處于電動(dòng)汽車(chē)的研究階段。

　　Quach認(rèn)為，量子電池的首批應(yīng)用之一將是光收集，他打算通過(guò)擴(kuò)大光敏量子電池的規(guī)模來(lái)擴(kuò)展他現(xiàn)有的工作。

　　“超吸收的想法是，它應(yīng)該比傳統(tǒng)吸收更好地吸收，因此我們希望它將太陽(yáng)能電池技術(shù)提升到一個(gè)新的水平，”他說(shuō)。據(jù)其指出，消費(fèi)電子和電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。他說(shuō)，如果有足夠的資金，消費(fèi)者申請(qǐng)可以在三到五年內(nèi)到達(dá)。