首個運作量子電池證明規模更大確實意味著速度更快

簡要

• 澳洲科學家打造了第一個可運作的量子電池原型。
• 量子電池隨著規模擴大充電速度更快，突破經典限制。
• 這一突破或能為未來的量子電腦提供動力，但尚未適用於消費性設備。

你的手機充電需要一個小時，你的電動車則要整晚充電。這種“容量越大，等待越久”的權衡已經深植於電池的運作方式中，幾乎沒有人再質疑。然而，一組澳洲科學家剛剛打造出一個完全打破這一規則的裝置。 澳洲國家科學機構CSIRO的研究人員，與RMIT大學和墨爾本大學的團隊合作，揭示了世界上第一個可運作的量子電池原型。 這是一個實體裝置，能充電、儲存能量並放電——使用量子物理規則而非化學反應。其研究成果於週三刊登在《Nature Light: Science & Applications》。 這個原型是一個微小的有機材料層狀晶片，就像一個微觀的三明治，通過激光脈衝無線充電。這個脈衝持續的時間是飛秒。1飛秒是萬億分之一秒。裝置在這個時間窗內充電，然後能在納秒（約六個數量級更長）內保持能量——比充電所需時間長了六個數量級。

這個差距聽起來並不令人印象深刻，直到你將它擴展規模。“如果我們能在一分鐘內充滿電池，它的電量可以維持幾年，”首席研究員詹姆斯·夸奇解釋道。物理規則已經成立，現在的挑戰是延長存儲能量在實際裝置中的持續時間。 真正奇特的不是速度，而是擴展行為。 傳統電池隨著容量增大，充電速度會變慢。容量越大，所需時間越長，但量子電池則相反。裝置中分子越多，每個分子的充電速度越快——因為在量子層面，它們不再獨立行動，而是集體行動，共享進入的能量，形成一個協調的突發，研究人員稱之為“超吸收”。

技術上，研究人員表示充電時間與1/√N成反比，其中N是分子數量。電池容量翻倍，充電時間幾乎減半，依此類推。 “我們的研究結果證實了一個根本的量子效應，這完全違反直覺：量子電池越大，充電越快，”夸奇在墨爾本大學表示。“目前的電池並非如此運作。” 這一特性自2013年起就被數學預測，2022年曾展示過部分版本。此次的創新在於完整循環：團隊找出了如何將儲存的能量轉換成電流，這是之前任何量子電池實驗都未能實現的。該裝置還能在室溫下運行，較中國和西班牙的超導方案具有實用優勢，後者需要低溫冷卻。 目前的應用尚非你的電動車或類似設備。原型的總容量以十億分之一電子伏特計算，尚不足以在現實世界中供電。但量子電腦則是另一個故事。這些系統已經比預期更快進展，並且面臨一個特定的能量問題：它們的微妙量子狀態需要以相干的方式供能，不能受到傳統電子噪聲的干擾。量子電池用相同的量子語言進行充放電。 “量子電池可以以相干的方式提供能量，並以最低的能量成本供應量子電腦，”昆士蘭大學量子技術實驗室負責人安德魯·懷特教授（未參與本研究）對《The News Digital》表示。 CSIRO已在尋找合作夥伴，包括電動車製造商和深科技投資者，以推動這一研究的進展。理論已經領先硬體十年，硬體終於追上了。