违抗经典物理学的电池
在经典物理学中，同时为多个电池充电需要更多的电力或时间——充电速率、电池数量和能量输入之间的关系是线性且不可避免的。量子力学提供了另一种可能性：通过quantum coherence和entanglement，能量可以以集合的方式跨多个单位存储，使整体效率超过各部分之和。澳大利亚研究人员构建的新原型首次在真实设备中展示了这种量子优势。
该团队由墨尔本大学、RMIT大学和CSIRO（澳大利亚国家科学机构）的研究人员组成，他们使用有机半导体材料构建了量子电池，这些材料在室温下支持量子相干能量存储。在测试中，他们观察到该设备的充电速率随着系统中添加更多单位而增加，这种现象被称为quantum charging advantage，理论物理学家曾预测过但从未在物理原型中观察到。
量子充电优势解释
在传统电池中，各个电化学单元独立充电。在给系统添加更多单元时，需要按比例增加能量输入和时间，因为充电过程不会受益于单元之间的相互作用——每个单元独立工作。在给定功率下，总充电时间与单元数量呈线性关系。
量子电池利用量子机械特性——特别是superposition和entanglement——来集体而非独立地为单元充电。当单元在充电期间处于量子superposition状态时，能量可以同时分配给整个系统，而不是按顺序分配。随着系统变得更大且更多entanglement通道变得可用，这种集体充电过程的效率实际上会改进。结果是，在相同功率输入下，更大的量子电池每个单元的充电速度比较小的电池更快——这与经典物理学的预测相反。
有机半导体的作用
澳大利亚团队工作中的关键技术成就之一是使用有机半导体材料而非异域极低温系统来展示quantum charging advantage。早期的量子电池理论提案通常假设在接近绝对零度的温度下运行，其中量子相干性更容易维持，但实际应用受到严重限制。有机半导体可以在室温下支持量子电池运行所需的quantum coherent电子态，使该技术对真实设备而言可能是可行的。
原型中使用的特定有机半导体支持Frenkel exciton transport——一种激发电子态，可以通过材料的分子结构连贯地传播。通过设计该设备以在充电期间利用这一coherent transport路径，团队能够在无需昂贵冷冻基础设施的系统中观察到量子优势。
从原型到实际设备
当前原型是概念验证而非产品就绪技术。实现的能量密度远低于锂离子电池，且该设备未经过数千次充放电周期的测试以评估耐久性。近期研究议程将聚焦于理解quantum coherence在充电期间如何被维持，以及当温度和环境条件从理想实验室设置变化时设备如何表现。
推动这项研究的潜在应用包括电子设备、电动汽车和电网存储系统的快速充电，其中吸收高速率能量的能力与存储容量同样重要。如果quantum charging advantage能够在设备规模和能量容量向上扩展时得以维持，对充电基础设施的影响可能很重大——特别是对EV应用，其中减少充电时间仍然是大规模采用的主要障碍之一。
物理规模上的理论验证
该原型的意义超越了其近期应用潜力。量子电池在十多年前被理论提出，构建一个展示预测quantum advantage的功能设备验证了有时被质疑其关于decoherence维持假设在物理上是否可达成的理论工作体系。澳大利亚原型至少在实验室环境中对该问题给出了肯定的答案。
这一验证将通过使理论物理学家相信量子电池物理是真实存在而非理想化的，并通过为工程师提供concrete设计语言——支持coherent exciton transport的有机半导体——来加速该领域的发展，以此作为旨在达到更高能量密度和实用外形因素的下一代实验设备的基础。
本文基于Interesting Engineering的报道。阅读原文。
Originally published on interestingengineering.com
