什么是量子电池？
光子盒研究院出品
今年4月，韩国基础科学研究所(IBS)的研究人员提出了一种量子电池的新理论，可将电动汽车的充电速度提高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。相关论文发表在《物理评论快报》杂志[1]。
那么，量子电池到底是什么呢？
最近，AZoQuantum对三位作者Dominik Šafránek、Ju-Yeon Gyhm和Dario Rosa进行了采访[2]。
您是如何开始研究电池充电和量子电池的？
Dario：就我而言，事情之所以开始，是因为一个朋友邀请我开始研究这个话题：他告诉了我量子电池的概念。我意识到，我在量子力学方面的一些背景可能是有用的。因为从本质上讲，为电池充电是在研究如何使量子态的时间演化变得高效。所以，考虑到我的背景，他们表示：好吧，为什么不呢？这就是我的开始。
Dominik：实际上我已经知道量子电池了，但Dario让我参与了这个项目。我正在研究的另一种物理学也在最新领域拥有专业知识：其中包括对演化速度的限制。
Ju-Yeon：对我来说，Dario还建议我研究量子电池。他给我的第一个主题实际上是他的研究，虽然我无法理解他在做什么，但我认为自己可以做其他事情来改善量子电池的结果。
量子电池是什么意思？
Dario：简单地说，是这样的：量子电池处于量子态，我们可以将量子态视为计算机中“比特”的量子版本。你可以通过从非常低能量的状态开始并执行充电过程，将能量与量子态相关联。把低能状态带到另一种状态——这种状态具有高能量，能量存储在该状态下，并且可以在稍后阶段通过将状态恢复到原始配置来使用。
Dominik：在经典电池中放电时会改变电池的基本化学成分，这是一样的，但现在使用的是量子态。在量子计算机中，它们使用超导量子比特。这些也处于量子态，因为它们可以具有不同的能级。最终，量子电池之于经典电池，就像量子计算机之于经典计算机一样。
Dario：2012年出现的一个新想法，是问：我们是否可以利用一个状态的能级来储存我们的能量一段时间，然后使用它？这就产生了量子电池的想法。这意味着，需要将状态提升到一个高度激发的点，并保持这种能量，随后在需要时释放这种能量。
电动汽车在应对导致气候危机的排放方面有多重要，量子技术如何应用？
Dominik：我们都不是气候危机方面的专家，但我可以作为物理学家发言。在我的印象中，使用电动汽车仍然存在一些未解决的问题。这主要是因为目前回收锂离子电池的技术有限：实际上需要大量的二氧化碳来制造它们，如果它们没有被回收利用，它就会丢失；我知道有一些公司正在研究这个问题。锂离子电池必要成分的全球供应也存在一个潜在问题，因此，如果这些东西最终能够应对气候危机，那么它可能会采用略微不同的设计。
截至目前，电动汽车可能是朝着未来事物迈出的一大步，这些未来事物实际上可以应对这场危机。最终，考虑到上述问题的解决，考虑电能来自哪里仍然很重要。例如，如果它是通过燃烧木材或煤炭制造的，电动汽车实际上会比目前的内燃机汽车差得多；天然气更清洁，但仍远未实现零排放目标。
因此，我认为迟早有必要以任何可能的方式将我们的经济转向可再生能源。可再生能源中我主要想强调核聚变，我们可以利用氢的能量，氢可以从海水中收集，不会有任何二氧化碳排放，也不会有核废料；因此它也将是一种更稳定的能源，不依赖于云或风。
这种类型的大型项目，即未来发电厂的示范，目前正在法国建造。
Dario：我们的论文与汽车没有直接关系。我们是理论家，因此电动汽车等应用是设想这种使用量子技术充电的可能性在未来如何有用的好方法。
任何时候你有一个电池（由许多较小的电池单元组成），你就有空间通过使用量子资源来获得潜在优势。同样，在电动汽车等应用中使用这项技术还有很长的路要走，有时我喜欢开玩笑说，也许我不会活得足够长，无法看到一辆拥有量子技术的汽车！但更具体地说，我们知道电动汽车是由具有大约两百个小电池的大电池制成的。这是一个潜在的点：量子效应可能是巨大的，并带来巨大的优势。
量子电池如何实现更快的充电？
Dominik：如果你通过电源插座充电，你的内部有230伏的电压——我们称之为“电势”。更大的电势意味着更快的充电。实际上，如果你使用量子方法，优势来自于你可以有一个电势源并同时给所有的电池充电。假设你有10个经典的电池，则需要有10倍的电压来给它们充电，因为它们都必须有自己的电势。
使用量子资源时可以需要少10倍的电势来充电：由于是全局操作，不同的电池都使用这一个电势的资源，并可以经过一些高度纠缠的状态。
Dario：这种全局操作使充电速度更快，不是因为它的状态可以更快地到达最终状态，而是因为他们可以找到更短的路径：所有电池共享相同的充电源，而不是运行得更快，它们在寻找达到某一点的正确方法时变得更加聪明。
您的研究为量子电池的设计提供了一个定理。能否请您描述一下如何实现这一目标？
Dario：我们不做实验。但我们可以尝试证明定理。我们可以说我们的结果是坚如磐石的，因为它基于量子力学；然而缺点是，我们只有电池的定理。
Ju-Yeon：正如Dario所说，我们希望同时为所有电池充电。在量子力学中，状态是由其他一些操作场演变而来的，我们找到了这个场的必要条件。这就是我们定理的结果。我们可以说，如果想非常快地为量子电池充电，必须满足我们论文中的条件。
Dominik：基本上，我们的论文说“如果你想实现这一目标，你需要在实验设计或工程设计中包括这一点或满足这个必要条件”。因此，没有这个就不可能制造量子电池。这证明了它在原则上是可能的，并且是实现它所必需的，而不是特定的设计。
Dario：我们证明的是一个猜想，这个猜想是由另一个团队在2017年提出的。
您是否希望有人或您自己将来会制定一个计划，以根据您的模型构建物理电池？
Dario：在实验层面上，已经有两个大型实验证明了“量子优势”的存在，基本上证明了使用这些组成部分和全局操作，可以真正实现充电功率的超线性扩展。
与传统电池相比，量子电池充电究竟快多少？
Dario：最多可以快N倍，其中N是制造电池的电池单元数量。当然，正如我们所描述的那样，要实现这一目标，需要进行完全全局操作。这在技术上是极其复杂的，甚至在实验上也是如此。因此，在最好的情况下，在你能做的事情和原则上可以做的事情之间可能会有一个妥协。
Dominik：一些韩国电动汽车开发商的电池只有六个电池单元，而特斯拉的电池由7000个电池单元组成；原则上，可以提高6倍或7000倍的速度。但问题是，这项技术还没有达到我们可以控制这些在这么多不同部分之间共享的非常大的纠缠状态的水平。这在实验上是非常具有挑战性的。
量子技术的发展应该有什么样的时间表？
Dominik：也许已经使用了三种值得一提的量子技术，第一种是量子密码学：现在，中国的银行正在使用量子密码学来进行彼此之间的安全通信。然后，2017年的诺贝尔奖被授予使用量子传感器进行引力波探测的研究，该技术基于量子物理学的大型干涉仪，已经实现并且非常有用。当然，我们有量子计算机，它们已经建成，但并不是很有用。在未来10-20年内，它们可能会变得非常有用。
我认为我们可能需要大约五年关于量子电池的实验。然后，也许在5-10年内，可以考虑一些对行业真正有用的应用。
Dario：当然，第一批应用将针对非常高的技术进行超级定制。
您认为这项研究的意义将有多深远？
Dominik：我们的结果是朝着量子电池未来设计迈出的一步。可能首先是实验演示，然后是工程和行业应用。我们这三个人的团队正在做基础研究，无法同时做实验和工程设计。因此，这项研究需要一些包括数千人的全球努力，以实现全球转变。
Dario：从我的背景来看，我来自一个非常不同的领域，也正在做一些完全不同的事情。我攻读了弦理论博士学位，当我进入量子热力学领域时，我发现值得注意的是，实验家和理论家之间存在着共同努力和交流等等。
我要说的是，目前量子热力学在企业中可能不太为人所知。许多公司正在投资量子计算，但没有多少公司投资量子热力学。一种可能性是，这个领域要年轻得多，所以也许这只是游戏的一部分。
Dominik：我认为我们的研究可能会带来更多的机构和公众支持来资助这些技术的转变。如果你能告诉他们“好吧，最终目标是什么，原则上可以实现什么”，那么你可以要求更多的钱，这样我们就可以把它交给实验家和工程师。
在公司提供资金之前，他们需要看到潜力，但他们不能仅仅从理论论文中看到收益。因此，需要为实验提供一些资金。
哪些问题仍待回答？
Dario：在模型层面上，通过这个定理我们可以说完成了对可以达到的最佳功率的追求。一旦你达到这种具有大量能量的高度激发状态，你当然想利用这种能量。因此，即使在理论层面上也需要发展一个关于如何从这种高度纠缠的状态中提取能量的定理。
这仍然不完整或不是很实际，所以是我们希望很快回答的主要问题之一。
Dominik：如果你有一块电池，你想用那块电池给手机充电，你需要把电池放电，对吧？
Dario：我们正在努力解决这个问题。我们发现的是最大可达到的界限，但Ju-Yeon正在更多地研究如何更好地表征，哪些状态适合达到这样的界限。
Ju-Yeon：现在我感兴趣的是如何量化测量以放出能量。因此，更多的是为量子电池制定更好的界限。
Dominik Šafránek
Šafránek出生在捷克。他在英国诺丁汉和奥地利维也纳攻读博士学位，然后继续在加利福尼亚的圣克鲁兹做博士后。现在，他居住在韩国大田，作为一个独立的研究人员。他是一位从事量子信息、量子计量学、量子系统的热化和熵的概念的物理学家。
Dario Rosa
Rosa是一名理论物理学家，目前主要从事量子混沌、量子多体物理和量子热力学的研究。2014年，他在米兰-比科卡大学弦理论和量子引力方面获得了博士学位。之后来到韩国，在首尔国立大学（2014-2016年）、韩国高等研究院（KIAS，2016-2020年）、韩国科学技术研究院（KAIST，2020年）做博士后，在2021年加入IBS，领导“多体系统的混沌量子”研究小组。从2022年3月开始，担任韩国科学技术联合大学院大学（UST）的副教授。
Ju-Yeon Gyhm
Ju-Yeon Gyhm出生于韩国首尔。他获得了首尔国立大学的物理学学士学位，曾在基础科学研究所担任研究助理，现在他在首尔国立大学攻读硕士课程。他致力于研究量子电池（在量子状态下存储和转换能量的电池），特别是量子电池的功率的量子优势的约束。现在，他研究如何量化纠缠以估计量子电池的量子优势和量子气象学。
参考链接：
[1]https://arxiv.org/pdf/2108.02491.pdf
[2]https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=332