從伏特到量子:揭秘電池技術的跨時代革新

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現代電池在其224年的歷史中已經取得了長足的進步。從亞歷山德羅·伏特(Alessandro Volta)堆疊的金屬圓盤和浸泡鹽水的布料,發展到如今我們擁有像全麥餅乾大小、可持續使用數天的電池。但目前市場上這些設備的極限在哪裡?要突破這個極限需要克服哪些技術挑戰,何時能克服這些障礙?能源儲存的未來是什麼?全球少數科學家正在研究一個答案:一種利用量子物理學而非經典物理學定律來儲存電荷的電池技術。這是一條漫長的路,但羅馬不是一天建成的,當然也不是一天就能供電的。

基本且備受喜愛的電池
電池是一種利用化學反應產生電能的技術。家用電池透過電流在電路中的流動產生電能。幾個世紀以來,人們開發了不同的電池;班傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin)被認為在1749年的一封信中創造了「電瓶」(electrical battery)一詞,他在信的結尾幽默地描述了電力的奇妙之處:

一隻火雞將被電擊殺死,作為我們的晚餐;然後在由電瓶點燃的火前,用電烤架烤熟;屆時,我們將在電槍的轟鳴聲中,用電杯暢飲,為英、法、德所有著名的電學家們的健康乾杯。

快轉到幾種不同的電池,大多以使用各種酸和金屬的化學反應開發它們的科學家命名,1859年,我們有了鉛酸電池,這是第一個能夠透過反轉電流來充電的電池。在20世紀末,鋰離子電池開始流行,並一直保持至今,它使用鋰與其他金屬和磷酸鹽的不同組合。但在現代電池的整個歷史中,化學反應產生電能的基本原理沒有改變。

好了,忘掉電池吧。到底什麼是「量子」?
讓我們快速回顧一下量子物理學的大致內容。處於量子態的粒子,其運行規則與你周圍看到的一切事物完全不同,從雲中的水到血管中的血液都是如此。粒子在極端條件下進入量子態:極低的溫度和真空。在這些條件下,粒子可以同時表現得像多種事物一樣,使它們可用於進行複雜的數學運算(如量子電腦)和檢查時間旅行(在某種意義上)是否可能。

量子系統還可以表現出糾纏,這是一種兩個或多個量子粒子定義彼此特徵的現象。在量子電腦中,陣列中的原子攜帶給定操作所需的訊息,就像普通電腦中的位元一樣。這些原子是量子位元,或稱量子位元。

但量子操作很微妙。一旦量子系統中的任何值確定下來,操作就會瓦解。整個系統,例如陣列中的原子,就會回到經典狀態。

量子態可以持續很長時間。以時間晶體為例,這是一種2012年首次提出的物質狀態,今年早些時候,物理學家證明它可以持續至少40分鐘,比其他已知晶體長約1000萬倍。這些晶體與量子電池相去甚遠,但展示了一些量子系統通常是多麼短暫,如果我們想要依賴這種狀態來獲取能量,這是一個需要解決的重要問題。

目前構想中的量子電池
與普通電池一樣,量子電池(正如人們想像的那樣)儲存能量。但相似之處僅此而已。與充電和消耗電池儲存能量的化學反應不同,量子電池由量子糾纏或更緊密連接電池及其來源的行為提供動力。

韓國首爾國立大學的量子研究員Ju-Yeon Gyhm在給科技媒體Gizmodo的電子郵件中表示:「量子電池由許多量子單元組成,這些單元就像一個大的量子電池。挑戰在於如何長期保持量子特性。」

由於量子電池和量子電腦具有相同的特性,要使該技術在研究環境之外成為現實,必須克服一個主要的技術挑戰:物理學家必須弄清楚如何在最精心管理的研究環境之外保持量子系統的微妙狀態。室溫超導體將是這樣的聖杯,但這些日子唯一宣稱有此發現的人,他們的工作在幾個月內就被揭穿了。

「平衡態下的熱力學並未對能量轉化為熱量和功的速度設限,」五位科學家最近在一次關於量子電池的研討會上寫道,該文目前發表在預印本伺服器arXiv上。「因此,在非平衡驅動的量子系統中尋求熱力學量子優勢似乎是很自然的。」

該小組接著指出,量子糾纏與能量在多體量子系統中儲存的速度有關,這一發現促使人們研究量子系統作為能量儲存裝置。

2018年,一個團隊對Dicke量子電池進行了建模,這是首個被提議存在於固態架構中的量子電池;2022年,一個團隊在實驗室環境下使用目標、鏡子和雷射光測試了一個基本的量子電池框架。

最近的實驗正在探索這個問題
去年年底,一組量子研究人員提出了一個系統,透過這個系統,量子電池可以在無限因果順序(ICO)中充電。他們的研究結果發表在《物理評論快報》上,研究結果假設,具有ICO的充電系統可以超越傳統的充電協議。

東京大學研究員、該研究的主要作者Chen Yuanbo說:「粗略地說,ICO可以用來構建標準量子理論中不可能的量子過程,在標準量子理論中,因果順序必須是確定的,或者說是固定的。這種靈活性允許更廣泛的量子過程,其中一些可以顯示出優勢和有趣的特性。」

「我們看到系統中儲存的能量和熱效率都有巨大的增益。有點違背直覺的是,我們發現了一個與你預期相反的相互作用的驚人效果:使用相同的設備,功率較低的充電器可以比功率較高的充電器提供更高的能量和更高的效率,」Chen當時說。

量子電池系統的不同實驗裝置,包括提出的和實現的,意味著有不同的途徑來創新這種未來技術的設計。上個月,格但斯克大學和卡爾加里大學的一個團隊提出了一種量子電池充電系統,該系統可以最大限度地增加儲存在電池中的能量,同時最大限度地減少充電過程中耗散(或損失)的能量。該團隊重新設計的部分原因是量子電池及其充電器耦合到同一個儲存庫,產生類似干涉的模式,提高了能量在兩者之間傳輸的效率。該團隊估計,通過新的充電過程,電池可以比使用傳統充電器多儲存四倍的能量。

澳大利亞阿德萊德大學的量子研究員James Quach說:「量子電池更像是一種波,分子或原子一致行動,而在傳統電池中,分子或原子更像單個粒子。這種集體行為是量子電池超廣泛充電特性的基礎,在這種特性下,為更大容量的量子電池充電所需的時間更少。」

2022年,Quach領導的一個團隊透過將一種名為Lumogen-F orange的分子染料放入一個小空腔中,並用脈衝光照射它,以觀察它如何儲存光子傳遞的能量,進而測試了一個基本的量子電池框架。該團隊發現,該系統充電速度非常快,而且更大的系統通常充電速度更快。

正如《新科學家》報導的那樣,一些物理學家推測,量子電池的充電時間與系統中量子位元的數量成反比;換句話說,電池越大,充電速度越快。

那麼……我什麼時候能買到量子電池?
量子電池的研究越來越受到關注,但仍處於起步階段。儘管它們的前景非常可觀,但該技術的最終設計將是什麼樣的問題仍然懸而未決。商業化?目前這只是最具商業頭腦的物理學家眼中的夢想。

主要問題仍然是讓量子系統在擴大規模時保持量子態。Quach認為,量子電池可以用作手機和汽車中的行動能源,但許多量子系統目前需要非常冷、無噪音的條件才能保持這種狀態(順便說一句,Quach 2022年的實驗裝置是在室溫下操作的)。並不是要讓你沮喪,但核聚變可能比我們設備中的量子電池更接近現實。

量子電池可以比傳統設備更快、更高效地充電,並且可以與用於模擬和測量的新興量子技術相結合。一個完全可操作的量子電池還沒有被證明,但根據最近的研討會,這樣的技術可以徹底改變我們收集、傳遞和控制能源的方式。鑑於人類對電力的明顯依賴,能源儲存可以使用量子飛躍。

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