9秒充满电动汽车！量子充电可将速度提高200倍

10年前，我们在路上几乎看不到电动汽车，但现在每年都有数百万辆电动汽车售出。电动汽车市场成为增长最快的行业之一。欧盟甚至计划在2035年全面禁售燃油车。然而，能源存储技术制约了电动汽车对燃油车的替代。

最近，来自韩国基础科学研究所(IBS)的研究人员提出了一种量子充电技术，可将电动汽车的充电速度提高200倍，充电将与加油一样简单。相关论文发表在《物理评论快报》杂志。

与从碳氢化合物燃料的燃烧中获取能量的传统汽车不同，电动汽车依靠电池作为能量的存储介质。早期电池的能量密度远低于碳氢化合物，导致电动汽车的续航里程非常短。电池技术的逐步改进最终使电动汽车的行驶里程与燃油车相比处于可接受的水平。

但今天的消费者仍面临电池充电速度缓慢的问题。目前，汽车在家中充满电大约需要10个小时。即使是充电站最快的超级充电桩也需要20-40分钟才能为汽车充满电。这给消费者带来了额外的成本和不便。

为了解决这个问题，2012年Robert Alicki和Mark Fannes发表了一篇开创性论文，首次提出“量子电池”(quantum battery)的概念。

他们的研究发现，量子技术可能会带来新的机制，以更快的速度给电池充电。从理论上讲，量子资源如纠缠，可以通过以集体方式同时为电池组的所有单个电池充电，来大大加快电池组充电过程。

这尤其令人兴奋，因为现代大容量电池组可以包含许多电池。这种集体充电在传统电池组中是不可能的，因为电池组中的各个电池彼此独立地并联充电。这种集体充电相对于并联充电的优势可以通过称为“量子充电优势”(quantum charging advantage)的比率来衡量。

当今电动汽车与基于量子电池技术的未来汽车

到了2017年，研究人员注意到这种量子优势背后可能来源于两个方面：“全局操作(global operation)”，其中所有电池同时与其他电池相互交流，就像所有人坐在一张桌子上；“all to all耦合”，每个电池都可以与所有其他电池交流，但每次交流只能一对一，就像许多个讨论小组，但每个组只有两个组员。

然而，此前尚不清楚这两种来源是否都是必要的，以及充电速度是否有任何限制。

最近，来自韩国基础科学研究所(IBS)复杂系统理论物理中心的研究人员进一步探索了这些问题。

这篇被《物理评论快报》杂志选为“编辑推荐”的论文表明，all-to-all耦合在量子电池中是无关紧要的，全局操作的存在是量子优势的唯一因素。

他们进一步指出了这种优势的确切来源，同时排除了任何其他可能性，甚至提供了设计这种电池的明确方法。

正式版论文链接：

https://journals.aps.org/prl/accepted/b2071Y51Ued1187a36cd9e31803b4e2fe0b5fa51e

预印版论文链接：

https://arxiv.org/abs/2108.02491

此外，该团队还能够精确量化该方案可实现的充电速度。虽然传统电池的最大充电速度随着电池数量的增加而线性增加，但研究表明，采用全局操作的量子电池可以实现充电速度的平方增长。

例如在一个典型的电动汽车中，其电池组包含大约200个电池。采用这种量子充电技术将导致比传统电池快200倍，这意味着在家充电时间将从10小时减少到大约3分钟。在高速充电站，充电时间将从30分钟缩短到仅仅几秒钟。

研究人员表示，量子充电的影响可能远远超出电动汽车和消费电子产品。例如，它可能会在未来的聚变发电厂中找到关键用途，这些发电厂需要在瞬间进行大量充电和放电。量子技术仍处于起步阶段，要在实践中实现这些方法还有很长的路要走。然而，诸如此类的研究发现创造了一个充满希望的方向，并可以激励资助机构和企业进一步投资于这些技术。如果投入使用，量子电池将彻底改变我们使用能源的方式，并使我们更接近可持续发展的未来。

参考链接：

https://ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000738/selectBoardArticle.do?nttId=21132&pageIndex=1&searchCnd=&searchWrd=

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