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傳統(tǒng)電池是平行充電的。相比之下，量子電池被當(dāng)作一個(gè)整體同時(shí)充電。視覺中國供圖
近年來飛速發(fā)展壯大的電動(dòng)汽車，令電力這一可再生能源載體受到全球廣泛關(guān)注，但依靠電池供電的電動(dòng)汽車依然存在亟待解決的短板：一方面，電動(dòng)汽車電池的能量密度比碳?xì)浠衔锏偷枚?，?dǎo)致電池續(xù)航時(shí)間較短；另一方面，電池充電速度仍被詬病，既跟不上用戶需求，也達(dá)不到加油站的加油速度。為解決上述問題，科學(xué)家們正在向神秘的量子物理學(xué)領(lǐng)域?qū)ふ掖鸢浮?/p>
近日，日本東京大學(xué)的科學(xué)家在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志發(fā)表論文指出，量子電池是一種利用量子效應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備，可以繞過傳統(tǒng)因果關(guān)系規(guī)則提升充電效率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升量子電池充電效率的新規(guī)則。
在經(jīng)典世界中，因果分別代表原因和結(jié)果，先有原因的發(fā)生，而后才出現(xiàn)結(jié)果。一般來說，因果關(guān)系只有一個(gè)方向，例如杯子跌落會(huì)導(dǎo)致破碎，但反過來則不成立。但在量子尺度上，不可能判斷這種因果關(guān)系的走向，這種量子現(xiàn)象被稱為不定因果序。設(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景，小趙和小汪在做飯時(shí)，不幸意外接踵而來：小趙不小心摔掉了一個(gè)盤子，這聲音把小汪嚇了一跳，導(dǎo)致爐子燙傷自己并大叫起來；然而在另一個(gè)版本中，小汪燙傷了自己，由于大聲尖叫，導(dǎo)致小趙摔掉了一個(gè)盤子。諸如這些說不清因果的事情，卻時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生在量子電池內(nèi)。
量子電池的概念10年前首次正式提出，目前世界上已有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)正在對(duì)其進(jìn)行研發(fā)。以應(yīng)用廣泛的鋰離子電池為例，它是以鋰離子作為傳輸媒介，存儲(chǔ)的是電子和離子的能量，而量子電池存儲(chǔ)的是光子的能量，維度更小。
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(huì)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”。這種特性在充電時(shí)表現(xiàn)得更加明顯。鋰離子電池是依靠鋰離子一個(gè)接一個(gè)地從低能量跳到高能量，而量子電池的粒子發(fā)生糾纏后，可以集體從低能態(tài)同時(shí)移動(dòng)到高能態(tài)。發(fā)生“量子糾纏”的粒子越多，充電速度就越快。韓國科學(xué)家曾做過嘗試，結(jié)果顯示充電速度可以提升200倍，這意味著一輛10小時(shí)充滿的電動(dòng)汽車將縮短至9秒。
日本科學(xué)家在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)提升量子電池充電效率的新規(guī)則。簡(jiǎn)單地說，傳統(tǒng)的鋰離子電池要獲得更高的能量和更快的充電速度，往往要依靠更高功率的充電器，而量子電池里低功率的充電器卻可以為電池帶來更高的電量和充電效率。這樣看似悖論的結(jié)果卻真實(shí)地發(fā)生在量子世界。
可以想象，這種扭轉(zhuǎn)因果的效應(yīng)或許發(fā)現(xiàn)新一代低功耗設(shè)備充電以外的用途。太陽能電池板發(fā)電效率取決于光的強(qiáng)度，但更高的光的強(qiáng)度使得電池板熱量升高，從而降低效率，量子電池或許會(huì)實(shí)現(xiàn)兩者之間的平衡，甚至將熱量轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)進(jìn)一步成熟，量子電池有望應(yīng)用于需要高功率充電放電的場(chǎng)景中，如軍事設(shè)備、應(yīng)急響應(yīng)裝置等，可以極大縮短能量轉(zhuǎn)移所需要的時(shí)間，加快響應(yīng)速度。
盡管量子技術(shù)仍處于起步階段，要實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路，但這些研究可以激勵(lì)機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)一步投資量子技術(shù)。量子電池如果得以應(yīng)用，它將徹底改變我們使用能源的方式，有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
（作者系遠(yuǎn)景科技集團(tuán)工程師）
責(zé)任編輯：魏敏
