文｜創瞰巴黎 Isabelle Dumé

編輯｜Meister Xia

James Quach

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）首席科學家

導讀

量子電池的概念是在10年前由波蘭和比利時的兩位研究人員首次正式提出，目前世界上已經有幾個團隊正在對其進行研發。何為“量子電池”？量子電池的工作原理是什么？與傳統電池相比，它具有哪些優勢？在量子電池的研發過程中需要克服什么樣的挑戰？

一覽：

• 量子電池有望實現比傳統電池更快的充電速度，甚至可以利用光能充電。
• 量子電池儲存的是光子的能量，而不是像傳統的電化學電池那樣存儲電子和離子的能量。
• 由于量子具有糾纏效應（亦稱纏結效應）和超吸收效應，量子電池的尺寸越大，充電速度越快。
• 雖然現在的量子電池還不能驅動電動汽車，但可以用于小型電子設備，還可提高太陽能電池的效率。
• 目前的挑戰是如何進一步推動量子電池研發，實現給遠離電網的地區供電。

電池是一種儲存電能的設備：量子電池也不例外。理論上，量子電池是一種量子力學系統，存儲的是光子的能量，而不是像傳統的電化學電池那樣存儲電子和離子的能量。由于量子的糾纏和超吸收效應，量子電池的尺寸越大，充電越快，這一特性有助于制造更高效的光收集設備，如太陽能電池。

量子電池的概念是波蘭格坦斯克大學（University of Gdańsk）的Robert Alicki和比利時魯汶大學（KU Leuven）的Mark Fannes在10年前首次正式提出的，目前世界上已經有幾個團隊正在對其進行研發。量子與經典粒子不同，經典粒子的狀態是單一固定的，而量子可以同時處于多個狀態的疊加之中。量子也可以影響其他孤立的量子，一個量子的狀態會立即影響其他量子的狀態，無論相距多遠，這種現象就是所謂的“量子糾纏”。而這一特點使得量子電池能夠更快地充電，因為糾纏粒子的數量越多，它們從低能態集體移動到高能態的速度就越快[1]。

“量子電池的原理可用于提高太陽能電池的效率。”

去年，澳大利亞阿德萊德大學（University of Adelaide）的James Quach及其課題組證明了即使系統中的所有量子沒有完全糾纏，快速充電依舊能實現。他們簡化了意大利熱那亞理工學院（Italian Institute of Technology in Genoa）一個團隊創建的模型 [2]，利用了一種稱為“橙色Lumogen F”半導體有機染料分子，具有低能量和高能量兩種狀態。在特定波長光線的照射下，處于低能態的分子可以吸收光子并轉換到高能量的激發狀態。

01分布式布拉格反射器

Quach的團隊使用的設備是分布式布拉格反射器，該設備內有多種介電材料層交替重疊。“橙色Lumogen F”分子放置在反射器的兩個微米級高反射鏡之間，然后用激光照射。為了確保分子有效地吸收光子，光子懸浮在惰性高分子基質中。

研究人員觀察到，鏡腔吸收光的速率——也就是系統充電的速率——遠遠超過了每個分子在沒有任何糾纏的情況下單獨吸收光的速率[3]。這種效應被稱為“超吸收”，是所有分子通過量子疊加共同作用的結果。他們還發現，充電時間隨著鏡腔尺寸的增加而減少。

“系統中增加10億個分子，量子電池就可以點亮發光二極管。”

與任何其它的量子系統一樣，在擴大其比例規模之前，量子電池需要與環境隔離。這是由于“退相干”現象（亦稱為“去相干”現象，即量子系統與環境因量子糾纏而產生的后果）。退相干會導致量子系統變成經典系統。從中短期來看，量子電池不太可能為電動汽車等大型用電器供電。Quach解釋道：“然而，量子電池的原理可以改善光伏材料中低光能的捕獲，提高太陽能電池的效率。”在這種情況下，少量的退相干可防止快速放電的量子效應，可能有利于電荷存儲。

Quach同時承認：“想要在實際應用場景中可靠地利用超吸收效應，我們還有很多工作要做。例如，目前的太陽能電池和太陽能相機可以從各種波長光中充電，而我們的量子電池只能吸收特定波長的光。不過，我們有信心擴大系統的規模，生產出可以輕松集成到現有電器中的電池。”

02未來研發挑戰重重

雖然從原理來說，量子電池或有助于能源轉型，但仍存在許多挑戰。其中之一就是找到最合適的儲能方式，讓電能的儲存和釋放既穩定，又簡單可靠。

另外還值得一提的是，Quach的團隊開發的分子腔只能儲存光子。將這些光轉化為可用的電能，就需要結合一個導電層，將帶電分子中的電子轉移到導電層中，由此必須向系統中添加更多的分子。增加10億個分子，量子電池就能點亮發光二極管。若能實現，量子電池便可用在手表、手機、平板電腦或筆記本電腦之類的小型電器上。

目前，Quach的團隊計劃進一步優化他們的量子電池。如果成功，有望帶來巨大的積極效應：量子電池可以作為小型離網電源和為物聯網設備供電。可以將其設計成與目前的太陽能電池板和電池類似，但由于充電和存儲功能位于一個系統中，因此更容易集成和使用。

Quach說：“我們的目標是在三到五年內生產出這樣的設備。”

參考資料

1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367–2630/17/7/075015/meta

2. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.117702

3. https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.abk3160