量子電池,僅僅是名字就足夠吸引人了,那麼這到底是個什麼樣的技術呢?
量子電池的概念是7年前由英國、意大利等四國科學家首先提出的,文章發表在《新物理學》期刊上,理論上證明了由多個糾纏量子位構成的電池系統,可以產生“量子加速”的效應,其充電速度比傳統電池快得多。
需要說明的是,跟我們平時所說的鋰電池、鉛酸電池的概念不同,量子電池可以由各種物質構成,比如離子、中性原子、光子或者有機高分子材料,只要這種材料能形成量子糾纏體系。在充電的時候,量子糾纏體系躍遷到高能級,放電的時候回到低能級,這就是量子電池最基本的原理。
量子電池的快充特性來自於量子糾纏體系裡奇特的“量子加速”效應——體系裡糾纏的量子位越多,充電速度越快。比如當體系裡有10個糾纏量子位時,充電需要6分鐘,如果糾纏量子位增加到60個,充同樣的電量就只需要1分鐘。所以對於量子電池來說,塊頭越大充電速度就越快。
實際上任何穩定可控的量子體系都可以視為量子電池,比如量子計算機。意大利熱那亞大學的一位理論物學家達里奧·費拉羅(Dario Ferraro)甚至認為,IBM的量子計算機,可能作為量子電池更有前途,因為隨著量子位的增加,量子計算機的出錯率會呈指數上升,但作為電池,越多的量子位代表其充電性能越好。
這些年關於量子電池的研究並不多,最近米蘭理工大學和意大利國家研究中心(CNR)與英國科學家合作,用有機染料分子製造了一種量子電池,可以利用激光進行充電,展示了這種技術的可行性。
當然這個實驗原型的電容量是非常小的,體系內約含有100億個分子,總電容量只相當於5號電池的十億分之一。其實這也是量子電池技術最受詬病的地方,電容量可能比鋰電池小几個數量級。另一個問題是環境造成的退相干,量子電池需要很好的隔離條件。
總體來說,量子電池目前還是非常前沿的研究,距離實際應用非常遙遠。但對於科研來說,這是一種很好的探索。有時候,科研成果可能產生在意想不到的地方,比如澳洲阿德萊德大學的詹姆斯·奎克團隊認為,量子電池技術可以增強太陽能電池的效率。
另外我們也知道,量子糾纏並不只存在於微觀領域,目前關於宏觀量子糾纏的研究進展也有很大進展,科學家已經能在微米尺度上實現宏觀量子糾纏。這些進展都為量子電池技術提供了發展潛力。