量子技术可以使电动汽车充电的速度和加油一样快

诸平

A pictorial illustration of today's electric vehicle versus the future vehicle based on quantum battery technologies. Employing quantum charging would lead to a 200 times speedup in a typical EV, which means that the charging time would be cut from 10 hours to about 3 minutes (at home), or 30 minutes to 9 seconds at a charging station. Credit: Institute for Basic Science

据韩国基础科学研究所（Institute for Basic Science）2022年3月21日提供的消息，量子技术可以使电动汽车充电的速度和加油一样快（Quantum technology could make charging electric cars as fast as pumping gas）。

无论是光伏还是核聚变，人类文明迟早都必须转向可再生能源。考虑到人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性，这被认为是不可避免的。为了开发替代能源，人们进行了大量的研究，其中大多数使用电力作为主要的能源载体。随着可再生能源新产品和新设备的普及，在可再生能源领域的广泛研发也伴随着社会在逐渐变化。最显著的变化是电动汽车的迅速普及。即使在10年前，电动汽车也很少出现在道路上，但现在，每年都有数百万辆电动汽车售出。电动汽车市场是增长最快的领域之一。

与从碳氢化合物燃料燃烧中获得能量的传统汽车不同，电动汽车依靠电池作为其能量的存储介质（storage medium ）。在很长一段时间里，电池的能量密度远低于碳氢化合物，这导致早期电动汽车行驶里程很短。然而，随着电池技术（battery technologies）的逐步改进，电动汽车（electric cars）的行驶里程最终与汽油汽车相比，已经达到了在可接受的范围内。毫无疑问，电池存储技术的改进是启动当前电动汽车革命必须解决的主要技术瓶颈之一。

然而，尽管电池技术有了巨大的进步，今天的电动汽车（electric vehicles）消费者面临着另一个困难:电池充电速度慢。目前，汽车在家中完全充电大约需要10个小时。即使是充电站（charging stations）里速度最快的超级充电站，也需要20~40分钟才能给汽车充满电。这给用户带来了额外的成本和不便。

为了解决这个问题，科学家们在量子物理领域寻找答案。他们的研究发现，量子技术可能会带来以更快速度给电池充电的新机制。量子电池技术（Quantum battery technology）最初是由Alicki和Fannes在2012年发表的一篇开创性论文中提出的。理论上，量子资源，如纠缠（entanglement），可以通过集体的方式（collective manner）同时给电池内的所有电池充电，从而大大加快电池的充电过程。

这是特别令人兴奋的，因为现代的高容量电池可以包含大量的电池。这种集体充电在传统电池中是不可能的，在传统电池中，电池是相互独立地并联充电的。这种集体充电与平行充电的优势可以通过称为量子充电优势（quantum charging advantage）的比率来衡量。大约在2017年,研究人员发现这背后可能有两种可能的来源量子优势即全局操作(在所有的电池同时跟其他所有电池交谈,也就是说,大家围着一张桌子而坐)和所有耦合(也就是说,“很多讨论,但每一个讨论只有两个参与者”)。然而，目前还不清楚这两种充电源是否都是必要的，也不清楚能够达到的充电速度是否有任何限制。

最近，来自基础科学研究所(Institute for Basic Science简称IBS)复杂系统理论物理中心（Center for Theoretical Physics of Complex Systems）的科学家们进一步探讨了这些问题——Juyeon Kim, Dario Rosa, Dominik Šafránek. Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations. arXiv:2108.02491 [quant-ph] arxiv.org/abs/2108.02491. [v1] Thu, 5 Aug 2021 10:01:03 UTC (47 KB). https://doi.org/10.48550/arXiv.2108.02491。这篇被《物理评论快报》（Physical Review Letters）选为编辑推荐（Editors Suggestion）的论文表明，所有耦合（all-to-all coupling）在量子电池中是无关紧要的，全局操作（global operations）的存在是量子优势的唯一因素。该小组进一步确定了这种优势的确切来源，排除了其他任何可能性，甚至提供了一种设计这种电池的明确方法。

此外，该小组能够精确量化在该方案中可以实现多少充电速度。当经典电池的最大充电速度随电池单体数线性增加时，研究表明采用全局操作的量子电池充电速度可实现二次缩放（quadratic scaling）。为了说明这一点，考虑一辆典型的电动汽车，它的电池大约包含200个单元电池（cells）。使用这种量子充电技术，其充电速度将比传统电池快200倍，这意味着在家充电时间将从10小时缩短到3分钟左右。在高速充电站，充电时间将从30分钟缩短到短短几秒。

研究人员表示，量子充电的影响是深远的，它的影响可以远远超出电动汽车和消费电子产品。例如，它可能在未来的核聚变发电厂找到关键用途，这些发电厂需要在瞬间充电和排放大量的能量。当然，量子技术（quantum technologies）仍处于起步阶段，要实现这些方法的实际应用还有很长的路要走。然而，诸如此类的研究发现创造了一个有前途的方向，并可以激励资助机构和企业进一步投资于这些技术。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries

Abstract

Quantum batteries are devices made from quantum states, which store and release energy in a fast and efficient manner, thus offering numerous possibilities in future technological applications. They offer a significant charging speed up when compared to classical batteries, due to the possibility of using entangling charging operations. We show that the maximal speed up that can be achieved is extensive in the number of cells, thus offering at most quadratic scaling in the charging power over the classically achievable linear scaling. To reach such a scaling, a global charging protocol, charging all the cells collectively, needs to be employed. This concludes the quest on the limits of charging power of quantum batteries and adds to other results in which quantum methods are known to provide at most quadratic scaling over their classical counterparts.