量子電池背景介紹

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人們對能源需求的持續增長與環境問題的日益關注激發了對變革性儲供能裝置的研究興趣。傳統電池主要基于電化學原理，在過去幾十年裏，小型化的電池成了推動電子産品更新換代的內在驅動，新能源汽車的快速發展也對大功率電池提出了新要求。雖然研發先進材料、優化現有設備性能可解燃眉之急，但突破固有原理、設計全新設備架構才是長久之計。人們期待通過微觀系統中以糾纏爲代表的量子特性與自下而上的全新原子制造工藝，形成更小尺寸、更強充電功率、更高容量和更大可提取功的新原理儲供能裝置——量子電池[1]。它的前瞻性研究預示了其對推動未來能源類型轉變和應對能源挑戰的巨大潛力[2]。不同于傳統電池的電化學反應，它通過微觀系統的量子能級存儲能量，是一種綠色、安全、無汙染的可持續儲供能裝置，有望成爲替代當今廣泛使用的電池的新一代儲能器件。

作爲熱力學器件，量子電池是以“調控量子態，實現新功能，發展新技術”爲主旨的量子科技的主要應用之一。量子熱力學爲新的産業革命提供原始創新驅動力，是量子科技的重要組成部分。建立在經典熱力學基礎上的蒸汽機的發明催生了第一次産業革命，基于此的熱機架構和效率仍然支配著當今的能源使用格局。進入21世紀，量子調控技術的發展迫使人們將熱力學擴展到量子領域，催生了量子熱力學。其基礎意義在于從量子力學角度重塑熱力學，並利用量子物理基本概念審視熱力學的先驗假定；它的現實意義在于其發展的器件有望獲益于量子效應而超越經典熱力學所設置的熱機性能極限，從本質上突破當今的能源使用效率。研究發現，利用量子相幹性，量子熱機可從單一熱源提取功，從而超越了熱力學第二定律的限制；利用量子壓縮或糾纏，量子熱機可超越經典卡諾效率；利用量子糾纏，量子電池可超越經典電池，獲得更快充電、更高電容和更大可提取功[3]。

量子電池的充電過程

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量子電池包括充電、存儲和放電三個過程。充電過程既可由經典場給量子電池提供能量來實現，也可由另一量子系統作爲充電器，與量子電池相幹耦合進行能量轉移來實現[4，5]。充電功率指單位時間內充入的能量，是衡量量子電池性能的重要指標。研究發現，由N個二能級原子構成的量子電池，得益于量子糾纏，其充電功率與N的標度關系爲P∝N3/2，而現行電池功率與電池芯片個數僅呈線性關系，說明量子電池充電功率是現行電池的

倍[3]。另一個重要性能指標是壽命，即量子電池中的能量可維持的最長時間。然而，量子系統自身所面臨的脆弱性使得量子電池的實現面臨兩大挑戰。一方面，量子電池會不可避免地與外界環境耦合，從而引起量子相幹性丟失，即退相幹，它導致量子電池的自發放電，即量子電池的老化。文獻[4]中利用光學微腔對由半導體有機分子形成的量子電池進行快速充電，但是退相幹使得其能量不能長時間存儲。另一方面，在充電過程中，微觀系統間的耦合強度會隨距離增大而快速衰減，這使得量子電池與充電器之間的距離要非常小，才可有效轉移能量；同時這種訴諸于量子電池—充電器相幹耦合的充電方式也不可避免地受到退相幹影響而失效。總之，退相幹是實現量子電池的主要障礙。因此，尋求更魯棒的可集成量子物態、更穩定的量子調控手段和更抗退相幹的新原理器件方案，爲量子電池所需的架構提供支持是本領域的關鍵科學問題。

新型量子電池充電方案

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爲了解決噪聲中等規模量子時代(noisy intermediate-scale quantum era)退相幹造成的問題，人們提出了量子互聯方案，期待通過將局域量子系統互聯而形成更魯棒的可集成量子物態和更抗退相幹的新原理器件[6]。近年來迅猛發展的波導量子電動力學爲量子互聯提供了理想平台[7，8]。受此啓發，我們提出了一種基于一維波導共同環境誘導的遠距離充電和退相幹抑制的新型量子電池方案[9]，如圖1所示，兩個二能級系統分別作爲充電器和量子電池，被放置在一個矩形金屬波導中。充電器與量子電池的間距遠大于其偶極—偶極相互作用的距離，因此二者無法實現直接的能量轉移。波導中的電磁場作爲充電器和量子電池的共同環境，與二者耦合形成複合系統。如圖2所示，複合系統的能譜顯示，連續能帶外會形成不同個數的孤立能級，稱作束縛態，其對充電帶來截然不同的結果：當無束縛態時，量子電池的能量快速耗散到環境中，從而發生老化；當形成一個束縛態時，量子電池的能量會趨于有限值，此時雖然實現了能量轉移，但並未完全達到持續充電；當形成兩個束縛態時，量子電池能量持續振蕩，且最大儲能不會發生自發損耗，從而實現了抗老化的理想充電。

圖1 量子電池方案示意圖：在矩形中空金屬波導管中放置兩個無直接耦合的二能級系統，分別作爲充電器和量子電池

圖2 量子電池不同頻率ω0下複合系統的能譜E (紫色點線)與量子電池能量 ε(t )隨時間的演化圖。其中，綠色點虛線、藍色實線、紅色虛線分別對應兩個、一個和零個束縛態時的量子電池充電能量演化，ω11爲波導管截止頻率。綠色點虛線對應兩個束縛態時的理想充電結果

在傳統量子電池方案中，僅當充電器與量子電池的距離足夠近且無退相幹時，才可通過直接耦合實現持續的無損充電。而在實際情況下，充電器與量子電池之間的耦合強度會隨著距離的增大而快速衰減，退相幹也破壞直接耦合，迫使理想的充電根本無法實現。我們利用波導管中的電磁場這一共同環境誘導的退相幹，實現了充電器與電池間免受老化影響的持續能量交換，在退相幹條件下達到了理想充電的目標，在理論上實現了量子電池非接觸式遠距離“類無線”充電，也證實了退相幹在建立電池—充電器間相幹互聯中的建設性作用，有效地解決了量子電池的能量耗散問題和距離限制問題，對于進一步推動量子電池的物理實現具有重要理論指導意義。

該工作是本團隊繼2020年利用Floquet工程激活老化的量子電池[10]與2021年利用波導管制備作爲量子精密測量重要資源的自旋壓縮後的又一重要結果，受到國際科學媒體的普遍關注[11—14]。Nature雜志將其作爲“研究亮點”進行了報道[11]。

未來展望

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量子電池通過將電磁波能量轉化爲原子的內部激發態能量來實現儲能，因此可以預見，它一旦實現，因糾纏賦予其的超大充電功率將可以極大地提升光伏中的光電轉換效率。另一方面，量子電池將能量存儲在原子這一物質世界最小的組成單元中，因此其存儲的能量密度比現行電池將有潛在的顛覆性的提高，該特征亦有望對光伏的存儲容量帶來變革性提升。另一方面，量子電池的發展趨勢也符合當今電子産品對儲供能設備小型化與長續航的要求。量子電池的超大充電功率和儲能密度也將對這些電子産品的儲供能設備帶來新的契機。

但是，量子電池仍然處于基礎理論研究階段，除了退相幹，另一個需要克服的挑戰是集成性。下一步，我們將繼續研究量子電池方案的可集成性，探索多原子糾纏對遠距離無線充電與抗老化量子電池性能的建設性作用，爲現實條件下實現量子電池所需的架構提供理論基礎。

來源：中國物理學會期刊網

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