- 研究人員確定量子電池可靠性的基本極限。
- 量子電池可利用疊加和集體充電來提升性能。
- 不確定性原理限制了能量交付和穩定功率的同時實現。
- 研究團隊將探討在現實環境下的可靠性極限。
來自全球各地的研究人員合作，確定了量子電池可靠性的基本極限，並找出利用充電作為工具，以平衡高功率和穩定能量輸出的方式。這有望促進未來有用的量子能量儲存裝置的發展。量子電池是能量儲存的下一個前沿，利用量子力學來充電、儲存和釋放能量。隨著量子技術如計算和感應的迅速發展，研究人員也在尋找除化學電池以外的其他方式來為其提供動力。量子電池可以利用疊加來在多個狀態中儲存能量，或通過集體充電來加速充電。
量子設計的電池還可能意味著比傳統化學電池更大且充電更快的電池，這使其在更大型的應用中更具吸引力。
量子電池的充電技術
目前為止，科學家們僅建立了概念驗證的量子電池，這些電池能夠儲存的能量僅持續幾納秒至幾微秒，尚無實際應用，但擴展技術的規模有望解決許多與能量儲存相關的問題。以往的研究主要集中在量子電池的充電速度和功率的強大程度。然而，在最近發表的一項研究中，一個國際物理學家團隊建立了量子電池能量交付波動和交付速率的基本極限。參與研究的西班牙光子科學研究所的理論物理學家馬切伊·萊文斯坦（Maciej Lewenstein）表示：「量子電池在量子資訊、熱力學和多體物理之間提供了一個引人入勝的聯繫。
瞭解它們的波動對於這些系統最終成為有用的技術資源至關重要。」
不確定性原理的影響
研究人員在其工作中發現，著名的量子力學不確定性原理阻止了能量的同時交付和穩定功率。該原理表明，某些物理性質對的值無法同時以完全精確的方式得知，顯示出能量交付和功率的波動無法同時減小。這是因為在量子電池中，功和功率由非交換算子表示，與量子力學中的位置和動量類似。研究人員進一步研究了這種權衡如何依賴於量子電池的充電方式。當平行充電時，量子單元獨立運作。然而，當它們集體充電時，則作為一個單元運作。
一種稱為混合充電的第三種方法則介於兩者之間，充電過程中單元組之間相互作用。集體充電增加了交付的功率，但也增加了波動，降低了功率的可靠性。這表明單靠功率不足以確定量子電池的性能。
芬蘭 VTT 的科學家坦莫伊·潘迪特（Tanmoy Pandit）在新聞稿中解釋：「我們的結果顯示，有一種有意義的方法可以平衡功率增強與功和功率的可靠性。基於中等範圍相互作用的充電方案可以在高功率和穩定運行之間提供有用的折衷。」該團隊將進一步研究在更現實的環境中，包括噪聲、散失和實驗相關的量子系統下的可靠性極限。該團隊的研究結果已發表於《PRX Quantum》期刊。
項目 規格 充電速度 高 功率可靠性 低
量子電池技術的未來挑戰
量子電池的發展代表著能量儲存技術的一個重要前沿，尤其是在尋求替代傳統化學電池的過程中。研究人員面臨的挑戰在於如何平衡能量交付的速度與穩定性，這與量子力學的基本原理密切相關。隨著量子技術的進步，量子電池的潛在應用範圍也在不斷擴大，未來的研究將有助於解決當前的技術限制，推動其在實際應用中的可行性。