重磅！“量子充電”來了，電動汽車充電最快只需幾秒種

無論是光伏還是核聚變，人類文明遲早轉(zhuǎn)向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，這是不可避免的。因此，為了開發(fā)替代能源，人們已經(jīng)進行了大量的研究，其中大部分利用電力作為主要的能源載體。伴隨著可再生能源的廣泛研發(fā)，社會也逐漸發(fā)生了變化，更多以可再生能源運行的新產(chǎn)品和設備被采用。最近最引人注目的變化是電動汽車的迅速采用。甚至在10年前，道路上幾乎看不到電動汽車，而現(xiàn)在每年有數(shù)百萬輛電動汽車被售出。電動汽車市場是增長最迅速的行業(yè)之一，它也推動埃隆-馬斯克成為世界上最富有的人。

然而，電動汽車的電池存儲技術(shù)是必須解決的主要技術(shù)瓶頸之一。

盡管電池技術(shù)有了巨大的改進，今天，電動汽車的消費者面臨著另一個困難——電池充電速度慢。目前，汽車需要大約10個小時才能完全充電，即使是充電站的超級充電器也需要長達20-40分鐘才能為車輛完全充電。這給客戶帶來了額外的成本和不便。

為了解決這個問題，科學家在神秘的量子物理學領(lǐng)域?qū)ふ掖鸢浮Ｋ麄兊奶剿鲗е掳l(fā)現(xiàn)，量子技術(shù)可能以更快的速度為電池充電。科學家Alicki和Fannes在2012年發(fā)表的一篇開創(chuàng)性論文中首次提出了這種“量子電池”的概念。理論上，量子資源，如糾纏，可以通過以集體方式同時對電池內(nèi)的所有電池進行充電來大大加快電池的充電過程。

這尤其令人振奮。這種集體充電在傳統(tǒng)電池中是不可能的，因為在傳統(tǒng)電池中，電池是彼此獨立地平行充電的。這種集體充電與平行充電的優(yōu)勢可以通過稱為“量子充電優(yōu)勢”的比率來衡量。后來，大約在2017年，人們注意到這種量子優(yōu)勢背后可能有兩個來源，即“全局操作”（所有的細胞同時與其他所有的細胞交談，即“所有的人坐在一張桌子上”）和“全耦合”（每個細胞可以與其他每個細胞交談，即“許多討論，但每個討論只有兩個參與者”）。然而，目前還不清楚這兩個來源是否是必要的，以及可以實現(xiàn)的充電速度是否有任何限制。

最近，基礎科學研究所（IBS）內(nèi)的科學家們進一步探索了這些問題。研究論文表明，在量子電池中用全耦合是不合適的，而全局操作的存在是量子領(lǐng)域的優(yōu)勢。該小組進一步指出了這種優(yōu)勢的確切來源，同時排除了其他可能性，甚至提供了設計這種電池的明確方法。

此外，該小組還能夠精確地量化在這種方案中可以實現(xiàn)多少充電速度。雖然最大充電速度隨著經(jīng)典電池中電池數(shù)量的增加而線性增長，但研究表明，采用全局操作的量子電池可以實現(xiàn)充電速度的二次擴展。為了說明這一點，科學家拿典型的電動汽車為例，其電池包含約200個單元。采用這種量子充電將使充電速度快200倍，這意味著在家里的充電時間將從10小時縮短到約3分鐘。在高速充電站，充電時間將從30分鐘縮短到僅僅幾秒鐘。

研究人員說，量子充電的影響遠遠超出電動汽車和消費電子產(chǎn)品。例如，它可能在未來的聚變電站中找到關(guān)鍵用途，因為聚變電站需要在瞬間充放電的大量能量。當然，量子技術(shù)仍然處于起步階段，在這些方法能夠在實踐中實施之前，還有很長的路要走。然而，像這樣的研究結(jié)果創(chuàng)造了一個有希望的方向，可以激勵投資機構(gòu)和企業(yè)進一步投資于這些技術(shù)。如果被采用，相信量子電池將徹底改變?nèi)藗兪褂媚茉吹姆绞剑⑾蚩沙掷m(xù)發(fā)展的未來邁進。

該研究論文題為"Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations"，已發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。

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論文原文：https://arxiv.org/abs/2108.02491

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