2022-09-16 14:26:53 来源:参考消息网 责任编辑:刁炜
核心提示:利用亚原子粒子的奇怪行为,量子电池的充电速度要比任何普通设备快得多。

参考消息网9月16日报道 英国《新科学家》周刊9月10日发表题为《量子电池:可能提供即时电力的奇怪科技》的文章,作者是乔恩·卡特赖特。全文摘编如下:

我们中的一些人对智能手机、平板电脑和其他数字技术是那么依赖,以至于当它们没电以后,我们的生活几乎停摆。哪怕只有30分钟,我们也很可能会为因充电而损失的时间感到悲伤。

如果说这看起来像是一种可笑的反应,那么对于为电动汽车提供动力的电池来说,这个问题就确实需要认真对待了。给这些电池充电通常需要几个小时,这成为交通业——全球最大的温室气体排放行业之一——脱碳的主要障碍。

现在,量子物理学可以来拯救我们了。利用亚原子粒子的奇怪行为,量子电池的充电速度要比任何普通设备快得多。量子电池的优点是体积越大,表现就越好。尽管这一概念尚处于起步阶段,但最近的实验演示和一些理论上的进步表明,不间断的便携式电源并非遥不可及。

理论局限

锂离子充电电池目前的霸主地位归功于其相对较高的容量和相对较长的寿命。事实证明,它的充电速度也比竞争对手快,但也不能太快。给锂离子电池充电太快,则锂离子将不可逆转地粘在正极上,这样一来,电池就变得没用了,甚至可能爆炸。因此,使用锂离子技术的电动汽车充电所需时间可能要比给汽油或柴油车加油的时间长得多。

英国《新科学家》周刊9月10日一期封面

英国《新科学家》周刊9月10日一期封面

波兰格但斯克大学的罗伯特·阿利基和比利时鲁汶大学的马克·凡内斯在不到10年前首次正式提出量子电池的概念时,这些实际问题并不是最重要的。作为理论物理学家,他们感兴趣的是,量子电池的基本概念是否能让人理解困扰物理学家几代人的一个更大问题:为什么少量孤立的粒子的行为与可见物体的行为如此不同?

量子世界本质上是不稳定的。看不见时——或者恰当地说,任何方法都无法观测到时——一个粒子就不再具有明确的特性,而是处于叠加状态。它还可以与其他孤立粒子协同作用,一个粒子的状态会立即影响其他粒子的状态,甚至是在远距离之外,这种现象叫量子纠缠。

对电池科学家来说,涉及热量、能量等有形的大规模特性的经典理论就可以了。从历史上看,这一理论一直是热力学。

热力学在描述发动机、热泵、锅炉、电池和其他常见电源的工作原理方面是无与伦比的。热力学成功的关键是它对单个粒子高度不敏感。大多数实用的系统由大量粒子组成,因此在热力学方案中,处理平均值就足够了。然而,近年来,理论家开始批评这一假设。如果将热力学定律应用于具有量子奇异特性的单个粒子,那么热力学定律是否仍然有效?这个问题的答案是否有助于解释量子世界与经典物理世界之间的过渡?要想找到答案,最好的办法莫过于一种暂时储存能量的设备。对阿利基和凡内斯来说,电池是回答这些问题的潜在试验场,于是两人着手设计一种基于量子规则的电池。

优势独特

从表面上看,量子电池与普通电池没有太大区别。它由一些更喜欢在低能量状态下存在的“东西”组成,但在需要为某些东西提供动力时也可以被强行置于高能量状态。在量子电池中,这种“东西”就是量子比特。量子比特指的是任何可以同时存在于不同状态叠加中的东西,比如电子、离子、分子或光脉冲。从理论上讲,量子比特由什么构成的并不重要。2013年,阿利基和凡内斯计算得出,随着量子电池中越来越多的量子比特被纠缠在一起,从量子电池中提取的能量将接近热力学极限。换句话说,他们发现,纠缠让电池的容量可以达到经典理论的最大值。

事实上,量子物理学甚至可能无法提供阿利基和凡内斯认为可能的热力学极限。2013年晚些时候,西班牙巴塞罗那光子科学研究所的卡伦·霍夫汉尼斯扬和其他人证明,只要多次提取,可以从没有纠缠的量子电池中提取同样数量的能量。

不过,阿利基和凡内斯的研究的确引发了一种猜疑,即无论热力学极限是什么,量子电池都可能比普通电池有优势。2015年,包括澳大利亚维多利亚州莫纳什大学的卡万·莫迪在内的理论家意识到,虽然量子纠缠可能无法提高电池的总提取能量,但它可以提高某种或许更有用的东西:电池的充电速度。

为什么会这样,我们要深入探究量子行为的奥秘。普通电池充电时,它实际上必须从低能量状态走向高能量状态。想象就像一个骑自行车的人,沿着一条直线从A到B。能量的缺口越大,行程越长,充电时间就越长。在仅有一个量子比特的量子电池中,情况也是如此。但是,将第二个量子比特与第一个量子比特纠缠在一起,捷径就出现了。两个量子比特协同工作,就能够以更快的速度、更平缓地到达高能量状态。

事情不止于此。每增加一个量子比特,原有行程的迂回线路就会被去掉,更快的线路就有可能出现。事实上,莫迪及其同事说,量子电池的充电时间与纠缠量子比特的数量成反比。也就是电池越大,充电就越快。

前景可期

今年1月,澳大利亚阿德莱德大学的詹姆斯·郭和其他人证明了量子电池在实践中的优势。根据意大利技术研究院物理学家绘制的一份蓝图,他们制造了简化版的量子电池,由一种有机染料的分子而不是量子比特组成,虽然不能完全纠缠,但分子都一样,且具有低能量和高能量状态。实验者将这些分子置于两个小镜子之间的一个洞中,并向其发射激光。其结果是,光吸收速度——实际上是整个电池的一次充电——远远超过了每个分子吸收光时可能达到的速度。

这个实验有大约100亿个分子,对于量子系统来说数量太多了,但充电能力仅相当于一枚电池的十亿分之一。由于量子充电的优势取决于该系统能否与周围环境隔离,因此包括阿利基和莫迪在内的理论家们怀疑该系统能否有可能扩展至实际用途。莫迪说:“对我们来说,这一理论只是探索时间和能源等基本概念的一个有趣的游乐场。我认为不会有技术上的应用。”

其他人则比较乐观,强调隔离问题影响的是所有量子技术,而不仅仅只针对电池。4月,韩国基础科学研究所的科学家开展了进一步的理论研究,研究了量子电池可能的最大充电速度。他们指出,詹姆斯·郭及其同事在实验中储存的能量密度与普通铅酸蓄电池的能量密度大致相当。他们说,从理论上讲,未来的量子电池充电速度极快,以至于充电操作几乎无法察觉。对电动汽车来说,我们可以想象一个免下车充电站,一个你甚至不需要停车的充电站。然而,这样的未来可能还很遥远。

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