电池也有“量子优越性”！科学家提出充电新模型

量子计算机能够解决经典计算机无法解决的计算问题。例如，Xanadu最近声称，其量子计算机能够在36微秒内完成超级计算机需要9000年才能完成的计算任务，实现量子计算优越性。

同样的，电池也有量子优越性——“量子电池”是一种用作能量存储设备的量子力学系统。今年3月，韩国基础科学研究所(IBS)提出了一种理论上比传统电池充电快200倍量子充电技术。

尽管取得了一系列理论成就，但量子电池的实验实现仍然很少；寻找可用作量子电池的新的、更易于使用的量子平台显然至关重要。近日，IBS复杂系统理论物理中心(PCS)的研究人员与Giuliano Benenti（意大利英苏布里亚大学）合作，重新审视过去已被大量研究的量子力学系统——“微脉泽”（micromaser）。相关论文以《微脉泽作为量子电池》为题[1]，发表在《量子科学与技术》上。

两个“量子手机”的例子，都是由基于电磁场的量子电池充电。左边，不使用微脉泽方法的充电协议会导致不受控制的电池充电，并可能造成损害；右边，基于微脉泽的充电协议能够自我控制存入电荷量。

“微脉泽”（micromaser）是一个系统，其中一束原子被用来将光子泵入一个腔体。简单地说，微脉泽可以被认为是与上述量子电池的实验模型相类似的配置：能量被储存到电磁场中，而电磁场是由依次与之发生作用的量子流来充电的[2]。

IBS PCS的研究人员和合作者表明，微脉泽的特点使其可以作为量子电池的优秀模型。当试图使用电磁场来储存能量时，主要的担忧之一是，原则上电磁场可以吸收大量的能量——可能远远超过所需的能量。用一个简单的例子来类比，这就相当于一个手机电池，当插上电源后，会继续无限期地增加其电量。在这种情况下，忘记手机插电可能是非常危险的，因为没有机制来停止充电。

幸运的是，该团队的数值结果显示[3]，这种情况不会发生在微脉泽中。电磁场迅速达到最终配置（技术上称为稳定状态），其能量可以在建造微脉泽时预先确定和决定。这一特性确保了对过度充电风险的保护。

此外，研究人员表明，电磁场的最终配置处于纯态，这意味着它不会带来充电过程中使用过的量子比特的记忆。在处理量子电池时，这种特性特别关键：它确保了储存在电池中的所有能量可以在必要时被提取和使用，而不需要跟踪在充电过程中使用的量子比特。

最后，研究表明，这些吸引人的特征是鲁棒的，不会因为改变本研究中定义的特定参数而被破坏。这一特性在试图建立一个实际的量子电池时具有明显的重要性，因为在建立过程中的不完善是根本无法避免的。

微脉泽量子电池的性能。(a)：储存的能量（上图）和纯度（下图）。(b)：对比试验下密度矩阵的绝对值，微脉泽（上图）和非微脉泽情况（下图）。这一对比图证明了微脉泽量子电池的性能更加优越。

有趣的是，在一系列平行的论文中，Stefan Nimmrichter[4]等科学家已经表明，量子效应可以使微脉泽的充电过程比经典充电更快。换句话说，他们已经能够证明在微脉泽电池的充电过程中存在之前提到的量子优势。所有这些结果表明，微脉泽可以被认为是一个有前途的新平台，可以用来建造量子电池，这一事实推动了建立新的量子电池原型的工作。

为此，IBS PCS的研究人员和Giuliano Benenti目前正与Stefan Nimmrichter及其合作者开始合作，进一步探索这些有前景的模型。这个新的研究合作将最终能够对基于微脉泽的量子电池设备的性能进行基准测试和实验测试。

参考链接：

[1]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ac8829

[2]https://phys.org/news/2022-08-stable-quantum-batteries-reliably-energy.html#

[3]https://arxiv.org/pdf/2204.09995.pdf

[4]https://scholar.google.de/citations?user=qO1UFewAAAAJ&hl=de