利用量子现象获取、分配和存储能量的电池有望在某些低功率应用中超越传统化学电池的能力和用途。包括东京大学在内的研究人员首次利用一种无视传统因果关系概念的非直观量子过程来提高所谓量子电池的性能，使这一未来技术离现实更近了一步。

可持续能源中的量子电池

当你听到"量子"这个词，也就是亚原子世界的物理学时，量子计算机的发展往往会成为头条新闻，但还有其他即将出现的量子技术值得关注。量子电池就是其中之一，虽然它的名字起初令人费解，但它在可持续能源解决方案和未来电动汽车的可能集成方面具有尚未开发的潜力。不过，这些新设备有望在各种便携式和低功耗应用中找到用武之地，尤其是在充电机会稀少的情况下。

在经典世界中，如果尝试使用两个充电器为电池充电，则必须依次进行，从而将可用选项限制在两种可能的顺序中。然而，利用被称为 ICO 的新型量子效应，就有可能以一种与众不同的非常规方式为量子电池充电。在这里，以不同顺序排列的多个充电器可以同时存在，形成量子叠加。图片来源：©2023 Chen et al.

量子电池的研究进展

目前，量子电池只存在于实验室实验中，世界各地的研究人员正致力于不同方面的研究，希望有朝一日能将其结合成功能齐全的实际应用。东京大学信息与通信工程系的研究生陈远博和副教授长谷川义彦正在研究量子电池充电的最佳方法，而这正是时间发挥作用的地方。量子电池的优势之一是效率极高，但这取决于充电方式。

陈说："目前用于智能手机或传感器等低功耗设备的电池通常使用锂等化学物质来存储电荷，而量子电池则使用原子阵列等微观粒子。化学电池受经典物理定律的支配，而微观粒子则是量子性质的，因此我们有机会探索使用微观粒子的方法，从而弯曲甚至打破我们对小尺度发生的事情的直观概念。我对量子粒子如何违反我们最基本的经验之一 - 时间 - 特别感兴趣"。

虽然量子电池比家中的 AA 电池大了不少，但作为量子电池的实验装置展示了充电特性，有朝一日可能会改进智能手机中的电池。图片来源：©2023 Zhu 等人

量子充电方法

研究小组与北京计算科学研究中心的朱高燕研究员和薛鹏教授合作，利用激光、透镜和镜子等光学仪器对量子电池进行了充电实验，但他们实现这种充电的方法需要一种量子效应，即事件之间不像日常事物那样存在因果联系。早期为量子电池充电的方法涉及一系列一个接一个的充电阶段。然而，在这里，研究小组使用了一种新的量子效应，他们称之为不定因果顺序（ICO）。在经典领域，因果关系遵循明确的路径，这意味着如果事件 A 导致事件 B，那么就排除了 B 导致 A 的可能性。然而，在量子尺度上，ICO 允许两个方向的因果关系同时存在，这就是所谓的量子叠加，两个方向的因果关系可以同时成立。

一般的直觉认为，充电器功率越大，电池的电量就越强。然而，源于 ICO 的发现使这种关系发生了显著的逆转；现在，用更少的功率为能量更强的电池充电成为可能。图片来源：©2023 Chen 等人

量子电池研究的意义

陈说："通过 ICO，我们证明了量子粒子组成的电池的充电方式会极大地影响其性能。我们看到系统中存储的能量和热效率都有了巨大的提高。而且有点反直觉的是，我们发现了一种与预期相反的相互作用所产生的惊人效果： 在使用相同设备的情况下，功率较低的充电器比功率较高的充电器能提供更高的能量和更高的效率。"

该研究小组探索的 ICO 现象可能会在为新一代低功耗设备充电之外找到其他用途。其基本原理，包括在这里发现的反向相互作用效应，可以改善其他涉及热力学的任务或涉及热量传递的过程的性能。一个很有前景的例子是太阳能电池板，热效应会降低其效率，但 ICO 可用来减轻这些影响，从而提高效率。

编译来源：ScitechDaily