根據Canalys數據，2021年全球電動汽車銷量為650萬輛，較2020年增長109％。其中中國大陸市場電動汽車的銷量超過320萬輛，約占全球電動汽車銷量的一半。
(資料圖片)
盡管電動汽車使用可以極大節能環保，但電池續航時間短的問題一直是老司機望而卻步的重要原因。那么如何解決快速充電且提高續航里程問題呢？量子電池技術是否能夠化解，為什么這項技術會對電動汽車充電產生重大影響？
什么是量子電池？國外三位專家這樣解釋：
Dario：簡單地說，是這樣的：量子電池處于量子態，我們可以將量子態視為計算機中“比特”的量子版本。你可以通過從非常低能量的狀態開始并執行充電過程，將能量與量子態相關聯。把低能狀態帶到另一種狀態——這種狀態具有高能量，能量存儲在該狀態下，并且可以在稍后階段通過將狀態恢復到原始配置來使用。
Dominik：在經典電池中放電時會改變電池的基本化學成分，這是一樣的，但現在使用的是量子態。在量子計算機中，它們使用超導量子比特。這些也處于量子態，因為它們可以具有不同的能級。最終，量子電池之于經典電池，就像量子計算機之于經典計算機一樣。
Dario：2012年出現的一個新想法，是問：我們是否可以利用一個狀態的能級來儲存我們的能量一段時間，然后使用它？這就產生了量子電池的想法。這意味著，需要將狀態提升到一個高度激發的點，并保持這種能量，隨后在需要時釋放這種能量。
前沿成果
量子電池技術正在接近一個類似于十年前量子計算的拐點，將其從理論好奇心升級為值得解決的工程挑戰。
量子電池利用奇妙量子世界中的物理定律來獲得優于傳統電池的性能優勢。最近關于充電速度優勢和無損耗存儲的研究表明，這項技術將在未來三到五年內增長。
量子世界是概率性的，而不是確定性的，這適用于量子電池和量子計算機。例如，如果一個儲能單元在傳統世界中表現出基態或激發態，那么它在量子世界中實質上以“概率波”的形式出現，這可以用概率函數來描述。
同樣，同一單位在狀態之間轉換的可能性也可以用概率函數來定義。這個函數被稱為躍遷幅度，它是解釋為什么量子電池具有優勢的關鍵。
今年4月，韓國基礎科學研究所（IBS）的研究人員提出了一種量子電池的新理論，可將電動汽車的充電速度提高200倍，這意味著在家充電時間將從10小時減少到大約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。相關論文發表在《物理評論快報》雜志。
澳大利亞、意大利、英國研究小組今年在《科學進展》雜志上發表了一篇關于光敏染料分子的論文，稱為Lumogen－F Orange，可用作存儲單元。研究人員將這些單元限制在不同大小的組中，在光學微腔中－量子電池原型－并測量光子能夠激發不同組的速率。
“我看到了（量子電池）的潛力，如果有人能在實驗室中實現這一點，”構思和管理該項目的James Quach說?！拔蚁氚阉鼜暮诎迳夏贸鰜恚胚M實驗室。
作為量子單位，每個染料分子都有自己的躍遷幅度，描述了它從基態躍遷到激發態的概率。
超快充電
當染料分子的躍遷幅度被允許相互干擾時，量子電池的魔力就出現了。
“量子電池的工作方式是，當你將它們置于相干狀態時，這些躍遷振幅會以波相互干擾的方式相互干擾，并在它們建設性地干擾時產生波峰，當它們具有破壞性時產生波峰，”Quach說?！巴ㄟ^這種建設性干擾，如果它們不作為一個整體，整個系統的綜合過渡幅度大于各個部分的總和。
相比之下，在傳統世界中，將能量輸送到電池中的最快方法是通過并行充電配置，其中每個電池同時充電。在這種設置中，電池的充電速度受到單個電池充電速度的限制。
Quach的團隊在他們的量子演示中發現的是，干擾允許整個電池比經典的并聯設置充電得更快。更值得一提的是，他們發現充電速度是“超快的”，這意味著隨著越來越多的染料分子（存儲單元）被添加到電池中，充電速度會增加。
微腔裝置首次在物理上展示了超廣泛的能量吸收－超吸收－Quach說這種現象可以從小型消費電子產品到電動汽車和電網規模的存儲系統中受益。
障礙和界限
韓國基礎科學研究所（IBS））的Juyeon Kim感興趣的主題正是這種超廣域速度的極限所在。去年，Kim和其他研究人員Dominik Safranek和Dario Rosa在《物理評論快報》上發表了一篇論文，量化了量子充電優勢的界限——量子充電速度與傳統充電速度的比值。
“我想為一般情況下的預期功率制定一個非常嚴格的界限，”Kim說?！霸趥鹘y電池中，功率隨著并聯電池的數量而增加。但在量子電池中，我們可以使功率隨著電池數量的平方而增加。
然而，在實踐中，Quach的團隊發現他們的電池充電速度只能與N的平方根成正比，這一差異值得更深入研究量子電池的實施方案。
這些設備的充電優勢源于一種稱為集體充電的效應，其中電池單元真正共享電池的電源－以某種方式相互通信－而不是傳統電池的每節電池為自身的策略。
“集體充電是一種捷徑，”Kim說。“我們可以選擇分離電池（在傳統裝置中），而且沒有其他影響。但在量子電池中，如果我們想要量子優勢，如果我們想要集體充電，我們就無法將電池分開。
量子電池可以利用兩種量子現象之一來實現集體充電－量子糾纏或量子相干性。
量子糾纏，被愛因斯坦稱之為“遠處的幽靈行動”，它將將粒子連接在一起，使它們能夠在物理分離的情況下作為一個單元運行。盡管Kim的團隊在他們的論文中專注于量化量子優勢的糾纏，但他們也承認其脆弱性。
Kim說，“糾纏很容易被環境打破”，而且眾所周知，很難維持。例如，量子計算機傾向于在接近絕對零度的溫度下運行，以追求糾纏壽命。
出于這個原因，Quach在相干性路線上看到了更多的實用性，即使它提供的量子優勢較少。雖然量子相干性也容易崩潰，但它即使在室溫下也能比糾纏更好地保持穩定性。
此外，除了超吸收之外，光學腔原型還表明，如果明智地應用于量子電池，退相干可以幫助控制其存儲和放電階段?；蛘邚倪@個角度來看，一點點壞事實際上可能是好的。
“如果我很快給電池充電，因為量子力學是時間對稱的，它應該會很快放電，”Quach 解釋說。 “但是退相干使這種不對稱性，這意味著你可以快速充電，但隨著退相干，它會非常緩慢地放電。
前景可期
那么為什么要量子化？如果傳統電池工作正常，為什么需要使用量子電池？為什么還需要投入幾億甚至幾百億的資金來做一些同樣好的事情呢？”
當然，具有充電速度的電池可以大規模蓬勃發展并提供無損耗存儲，這將在世界上占有一席之地。
今年早些時候，IBS 關于量子充電優勢的論文引起了一些媒體的關注，部分原因是它為量子電池的前景提供了一個通俗易懂的途徑——它們可以用來更快地為電動汽車充電。但是，盡管將 10 小時的充電時間壓縮為幾秒鐘的前景引起了公眾的關注，但充電功率和相干保護等實際考慮因素仍處于電動汽車的研究階段。
Quach認為，量子電池的首批應用之一將是光收集，他打算通過擴大光敏量子電池的規模來擴展他現有的工作。
“超吸收的想法是，它應該比傳統吸收更好地吸收，因此我們希望它將太陽能電池技術提升到一個新的水平，”他說。據其指出，消費電子和電動汽車遠遠落后。他說，如果有足夠的資金，消費者申請可以在三到五年內到達。
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