無(wú)論是光伏還是聚變，人類文明遲早都要轉(zhuǎn)向可再生能源。鑒于人類不斷增長(zhǎng)的能源需求和化石燃料的有限性，這種趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的。為了開(kāi)發(fā)替代能源，人類已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，其中大部分是使用電力作為主要能源載體。

隨著可再生能源產(chǎn)品和設(shè)備受到更多重視，人們的生活也發(fā)生了變化，最明顯的是電動(dòng)汽車的普及。盡管 10 年前還很少在道路上見(jiàn)到電動(dòng)汽車，但如今它的年均售出數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百萬(wàn)，成為市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。

與從碳?xì)浠衔锶剂系娜紵蝎@取能量的傳統(tǒng)汽車不同，電動(dòng)汽車依靠電池作為其能量的存儲(chǔ)介質(zhì)。長(zhǎng)期以來(lái)，電池的能量密度遠(yuǎn)低于碳?xì)浠衔铮@導(dǎo)致早期電動(dòng)汽車的續(xù)航里程非常低。然而，電池技術(shù)的逐步改進(jìn)最終使電動(dòng)汽車的行駛里程與燃油汽車相比處于可接受的水平。毫不夸張地說(shuō)，電池存儲(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)是觸發(fā)當(dāng)前電動(dòng)汽車革命必須解決的主要技術(shù)瓶頸之一。

然而，盡管電池技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但如今的電動(dòng)汽車消費(fèi)者面臨著 另一個(gè)難題：電池充電速度緩慢。目前，汽車在家中充滿電大約需要 10 個(gè)小時(shí)。即使是充電站最快的超級(jí)充電樁也需要長(zhǎng)達(dá) 20 到 40 分鐘才能為車輛充滿電，這帶來(lái)了額外的成本和不便。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)始在量子物理學(xué)領(lǐng)域?qū)ふ掖鸢?。他們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，量子技術(shù)可能會(huì)帶來(lái)加快電池充電速度的新機(jī)制。

量子電池技術(shù)最早是 Alicki 和 Fannes 于 2012 年發(fā)表的一篇開(kāi)創(chuàng)性論文中提出的。從理論上說(shuō)，量子資源（例如糾纏）可以把電池組中的所有單電池當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)充電（collective charging），大大加快電池組充電過(guò)程。

Alicki 和 Fannes 2012 年的論文。論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1211.1209.pdf

這個(gè)結(jié)論令人興奮，因?yàn)楝F(xiàn)代的大容量電池組會(huì)包含很多單電池，在經(jīng)典電池組中，各個(gè)單電池是以彼此獨(dú)立、并行的方式來(lái)充電的，被當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)充電是不可能的。這種聚合充電與并行充電的差距可以通過(guò)一個(gè)叫做量子充電優(yōu)越性的比率來(lái)衡量。

傳統(tǒng)充電方式 VS. 量子充電方式。傳統(tǒng)的電池是平行充電的，這意味著每個(gè)電池都是獨(dú)立充電的。相比之下，量子電池在充電過(guò)程中被當(dāng)做一個(gè)整體，這是使用糾纏運(yùn)算（ entangling operation ）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

大約在 2017 年，研究者們注意到這種量子優(yōu)越性可能來(lái)源于兩方面：全局運(yùn)算（global operation），其中所有單電池同時(shí)和其他單電池相互交流，像是所有人圍在一張桌子旁；以及 all-to-all 耦合，就像是許多個(gè)討論小組，但每個(gè)組只有兩個(gè)組員。

在過(guò)去的幾年里，研究者一直不清楚這兩種來(lái)源是否都有必要，以及可達(dá)到的充電速度是否有任何限制。

最近，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）復(fù)雜系統(tǒng)理論物理中心的科學(xué)家們進(jìn)一步探索了這些問(wèn)題。

這篇被《物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）》雜志選為編輯推薦的論文表明，all-to-all 耦合在量子電池中是無(wú)關(guān)緊要的，全局運(yùn)算的存在是量子優(yōu)越性的唯一因素。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了這種優(yōu)越性的精確來(lái)源，同時(shí)排除了其他可能性，然后提供了一種設(shè)計(jì)該電池的方法。

正式版論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/accepted/b2071Y51Ued1187a36cd9e31803b4e2fe0b5fa51e

預(yù)印本鏈接：https://arxiv.org/pdf/2108.02491.pdf

此外，該小組還能夠精確量化該方案可以實(shí)現(xiàn)的充電速度。經(jīng)典電池的最大充電速度隨單電池?cái)?shù)增加而線性提升，但該研究表明，采用全局運(yùn)算的量子電池充電速度可實(shí)現(xiàn)二次指數(shù)提升。

舉個(gè)例子，假如你有一臺(tái)電動(dòng)汽車，它的單電池?cái)?shù)目是 200。使用這種量子充電技術(shù)，你的電車充電速度將是傳統(tǒng)電池的 200 倍。這意味著你在家充電的速度將由原來(lái)的 10 小時(shí)縮短到 3 分鐘，在高速充電站的充電速度將由 30 分鐘降至數(shù)秒。

就電動(dòng)汽車領(lǐng)域而言，有人認(rèn)為這個(gè)技術(shù)方向前途不太明朗，畢竟現(xiàn)在還處于純理論階段，可能需要幾十年甚至上百年才能實(shí)現(xiàn)，相比之下，繼續(xù)發(fā)展換電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)可能要更加實(shí)際一些。

不過(guò)，研究人員表示，量子充電的影響是深遠(yuǎn)的，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電動(dòng)汽車和消費(fèi)類電子產(chǎn)品。例如，未來(lái)的聚變發(fā)電站可能會(huì)用到這項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)檫@些發(fā)電站需要在極短的時(shí)間內(nèi)充、放大量的電能。當(dāng)然，量子技術(shù)仍處于起步階段，要實(shí)現(xiàn)這些方法的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。然而，諸如此類的研究發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了一個(gè)有前途的方向，可以激勵(lì)機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)一步投資于這些技術(shù)。

對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)，各位讀者覺(jué)得靠譜嗎？

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