文 | 學術頭條

隨著電動車的普及，越來越多的消費者開始為充電而煩惱。

就當前市面上的電動汽車而言，在家中充電樁充滿電，大約需要 10 個小時。即使是前往專用的快速充電站，最快也需要 20-40 分鐘才能為一輛車充滿電。顯然，充電的不便，也讓很多潛在消費者望電車止步。

那麼，有沒有新的技術突破，來提高電車充電速度呢？

最近，基礎科學研究所（IBS）複雜系統理論物理中心的科學家們給出了一個全新的技術解決方案——量子充電技術。使用量子充電技術，可將傳統的電動汽車充電過程加速 200 倍，這意味著充電時間將從 10 小時縮短到大約 3 分鐘（在家裡），或在充電站從 30 分鐘縮短到 9 秒。

電動車的火熱與挑戰

無論是光伏還是核能，人類文明遲早都必須轉向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，可再生能源的這一趨勢被認為是不可避免的。

因此，為了開發替代能源，科學家們進行了大量研究，其中大部分都是將電力作為主要能源載體。而隨著可再生能源的廣泛開發，基於可再生能源的新產品和裝置也得到了快速發展。最顯著的變化，就是電動汽車的迅速普及。

雖然 10 年前在公路上大家幾乎看不到電動汽車，但現在，每年數百萬輛電動汽車進入千家萬戶。電動汽車市場成為增長最快的新能源行業之一，馬斯克也成為了世界上最富有的人之一。

與從碳氫化合物燃料的燃燒中獲取能量的傳統汽車不同，電動汽車依靠電池作為其能量的儲存介質。但是，長期以來，電池的能量密度遠低於碳氫化合物，這導致早期電動汽車的續航里程非常低。

不過，電池技術的逐步改進，最終使電動汽車的行駛里程與燃油汽車相比處於可接受的水平。毫不誇張地說，電池儲存技術的改進是推動當前電動汽車革命必須解決的主要技術瓶頸之一。

然而，儘管電池技術取得了巨大進步，但如今的電動汽車消費者仍然面臨著另一個難題——電池充電速度緩慢。

量子充電技術

為了解決這個問題，科學家們開始在神秘的量子物理學領域尋找答案。

研究人員發現，量子技術可能會帶來為電池以更快速度充電的新機制。這種“量子電池”的概念最早是在 2012 年發表的一篇開創性論文中提出。

理論上，量子資源（quantum resource）可以透過為電池內部單元集體同時充電的方式進行充電，從而大大加快電池充電過程。這一發現尤其令人興奮。

後來，在 2017 年左右，人們注意到這種量子優勢背後可能有兩個可能的實現途徑——即“global operation”（所有充電單元同時與所有其他單元面對面，即“都坐在一張桌子上”）和‘all-to-all coupling’（每個充電單元都可以相互面對面，即“每個單元只有兩個參與者”）。

但是，尚不清楚這兩種可能是否都是必要的，以及可以達到的充電速度是否有任何限制。

在最新發表的研究中，科學家們進一步探索了這些問題。這篇發表在《物理評論快報》雜誌的論文表明，all-to-all coupling 在量子電池中是無關緊要的，global operation 的存在是量子優勢的唯一因素。

該小組進一步查明瞭這種優勢的確切來源，同時排除了任何其他可能性，甚至提供了一種設計這種電池的明確方法。

此外，該小組精確量化了在該方案中可以實現多快的充電速度。雖然最大充電速度隨著經典電池的電池數量線性增加，但研究表明，採用 global operation 的量子電池可以實現充電速度的指數增加。

圖 | 當前的電動汽車，與基於量子電池技術的未來汽車對比圖示

為了說明這一點，研究人員假設一個傳統的電動汽車，其電池包含大約 200 個電池單元。使用這種量子充電技術，充電速度將比傳統電池加速 200 倍，這意味著在家充電時間將從 10 小時減少到大約 3 分鐘。而透過快速充電站，充電時間將從 30 分鐘縮短到幾秒鐘。

研究人員表示，這一技術方案的影響可能是深遠的，量子充電的實現，可能遠遠超出電動汽車和消費電子產品領域。例如，它可能會在未來的核能發電廠中找到關鍵用途，因為這裡需要大量的能量以實現瞬間充電和放電。

當然，量子技術仍處於起步階段，要在實踐中實施這些方法還有很長的路要走。

然而，諸如此類的研究結果開闢了一個有希望的方向，並可以激勵資助機構和企業進一步投資於這些技術。如果實現，相信量子電池將徹底改變我們使用能源的方式，並使我們更接近可持續未來。

參考資料：

https：//arxiv。org/abs/2108。02491

https：//www。eurekalert。org/news-releases/946882