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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(jué)中國(guó)供圖
近年來(lái)飛速發(fā)展壯大的電動(dòng)汽車(chē)，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(chē)依然存在亟待解決的短板：一方面，電動(dòng)汽車(chē)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(hù)需求，也達(dá)不到加油站的加油速度。為解決上述問(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)來(lái)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(chēng)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(lái)：小趙不小心摔掉了一個(gè)盤(pán)子，這聲音把小汪嚇了一跳，導(dǎo)致?tīng)t子燙傷自己并大叫起來(lái)；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(pán)子。諸如這些說(shuō)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(wú)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(guó)科學(xué)家曾做過(guò)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(mǎn)的電動(dòng)汽車(chē)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(shuō)，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(lái)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(yáng)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
