文｜創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯｜Meister Xia
James Quach
澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）首席科學(xué)家
導(dǎo)讀
量子電池的概念是在10年前由波蘭和比利時(shí)的兩位研究人員首次正式提出，目前世界上已經(jīng)有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)正在對其進(jìn)行研發(fā)。何為“量子電池”？量子電池的工作原理是什么？與傳統(tǒng)電池相比，它具有哪些優(yōu)勢？在量子電池的研發(fā)過程中需要克服什么樣的挑戰(zhàn)？
一覽：
- 量子電池有望實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)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(tǒng)的電化學(xué)電池那樣存儲電子和離子的能量。
- 由于量子具有糾纏效應(yīng)（亦稱纏結(jié)效應(yīng)）和超吸收效應(yīng)，量子電池的尺寸越大，充電速度越快。
- 雖然現(xiàn)在的量子電池還不能驅(qū)動電動汽車，但可以用于小型電子設(shè)備，還可提高太陽能電池的效率。
- 目前的挑戰(zhàn)是如何進(jìn)一步推動量子電池研發(fā)，實(shí)現(xiàn)給遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)供電。
電池是一種儲存電能的設(shè)備：量子電池也不例外。理論上，量子電池是一種量子力學(xué)系統(tǒng)，存儲的是光子的能量，而不是像傳統(tǒng)的電化學(xué)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(yīng)，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(shè)備，如太陽能電池。
量子電池的概念是波蘭格坦斯克大學(xué)（University of Gdańsk）的Robert Alicki和比利時(shí)魯汶大學(xué)（KU Leuven）的Mark Fannes在10年前首次正式提出的，目前世界上已經(jīng)有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)正在對其進(jìn)行研發(fā)。量子與經(jīng)典粒子不同，經(jīng)典粒子的狀態(tài)是單一固定的，而量子可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)的疊加之中。量子也可以影響其他孤立的量子，一個(gè)量子的狀態(tài)會立即影響其他量子的狀態(tài)，無論相距多遠(yuǎn)，這種現(xiàn)象就是所謂的“量子糾纏”。而這一特點(diǎn)使得量子電池能夠更快地充電，因?yàn)榧m纏粒子的數(shù)量越多，它們從低能態(tài)集體移動到高能態(tài)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?！?/p>
去年，澳大利亞阿德萊德大學(xué)（University of Adelaide）的James Quach及其課題組證明了即使系統(tǒng)中的所有量子沒有完全糾纏，快速充電依舊能實(shí)現(xiàn)。他們簡化了意大利熱那亞理工學(xué)院（Italian Institute of Technology in Genoa）一個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的模型 [2]，利用了一種稱為“橙色Lumogen F”半導(dǎo)體有機(jī)染料分子，具有低能量和高能量兩種狀態(tài)。在特定波長光線的照射下，處于低能態(tài)的分子可以吸收光子并轉(zhuǎn)換到高能量的激發(fā)狀態(tài)。
01分布式布拉格反射器
Quach的團(tuán)隊(duì)使用的設(shè)備是分布式布拉格反射器，該設(shè)備內(nèi)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(gè)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(zhì)中。
研究人員觀察到，鏡腔吸收光的速率——也就是系統(tǒng)充電的速率——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了每個(gè)分子在沒有任何糾纏的情況下單獨(dú)吸收光的速率[3]。這種效應(yīng)被稱為“超吸收”，是所有分子通過量子疊加共同作用的結(jié)果。他們還發(fā)現(xiàn)，充電時(shí)間隨著鏡腔尺寸的增加而減少。
“系統(tǒng)中增加10億個(gè)分子，量子電池就可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管。”
與任何其它的量子系統(tǒng)一樣，在擴(kuò)大其比例規(guī)模之前，量子電池需要與環(huán)境隔離。這是由于“退相干”現(xiàn)象（亦稱為“去相干”現(xiàn)象，即量子系統(tǒng)與環(huán)境因量子糾纏而產(chǎn)生的后果）。退相干會導(dǎo)致量子系統(tǒng)變成經(jīng)典系統(tǒng)。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?！痹谶@種情況下，少量的退相干可防止快速放電的量子效應(yīng)，可能有利于電荷存儲。
Quach同時(shí)承認(rèn)：“想要在實(shí)際應(yīng)用場景中可靠地利用超吸收效應(yīng)，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(jī)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(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模，生產(chǎn)出可以輕松集成到現(xiàn)有電器中的電池。”
02未來研發(fā)挑戰(zhàn)重重
雖然從原理來說，量子電池或有助于能源轉(zhuǎn)型，但仍存在許多挑戰(zhàn)。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(wěn)定，又簡單可靠。
另外還值得一提的是，Quach的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的分子腔只能儲存光子。將這些光轉(zhuǎn)化為可用的電能，就需要結(jié)合一個(gè)導(dǎo)電層，將帶電分子中的電子轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電層中，由此必須向系統(tǒng)中添加更多的分子。增加10億個(gè)分子，量子電池就能點(diǎn)亮發(fā)光二極管。若能實(shí)現(xiàn)，量子電池便可用在手表、手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦之類的小型電器上。
目前，Quach的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化他們的量子電池。如果成功，有望帶來巨大的積極效應(yīng)：量子電池可以作為小型離網(wǎng)電源和為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。可以將其設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)中，因此更容易集成和使用。
Quach說：“我們的目標(biāo)是在三到五年內(nèi)生產(chǎn)出這樣的設(shè)備?！?/p>
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