什么是量子電池，如何構建量子電池？

量子電池 （QB） 已被提議作為我們所熟知的電化學儲能設備的替代品。

量子電池不是利用鋰、鈉或鉛離子的轉移來發電，而是儲存來自光子的能量。由于量子效應（如糾纏和超吸收），它們幾乎可以瞬間充電。它們不會在短期內為電動汽車提供動力，但可用于量子通信，并可能提高太陽能電池的效率。它們甚至可以并行用于小型電子設備，意大利的研究人員在 2 月份編制了一份可用于制造它們的材料的詳細表格（見下文）。

量子電池于 2013 年由波蘭格但斯克大學的 Robert Alicki 和比利時魯汶大學的 Mark Fannes 首次提出，但到目前為止，只有概念驗證演示。這個想法是糾纏光子可以在短時間內儲存少量能量。這可以在微腔中的有機材料或過冷材料中完成，并且有可能按比例放大以用作實用電池。

普朗克

早在 2023 年，意大利的 Planckian 就籌集了 €2.7m，打算開發 QB 技術。

“人們對量子物理學的新前沿的興趣，特別是對所謂的量子熱力學領域，以及對量子材料非常規特性的研究，從未如此強烈。我們相信，現在是時候開發新的能源管理技術了，以利用量子力學的獨特特性，“首席科學官 （CSO） 兼聯合創始人兼首席執行官 Vittorio Giovannetti 說。

此后，它開始開發量子處理器，上周與那不勒斯大學合作，在該大學的 QTLab 中測試了下一代量子處理器。

該公司表示：“我們的愿景是，擴展量子技術需要將傳統的量子信息科學與新興領域的創新方法相結合，特別是材料科學和量子熱力學。

“最初，我們的研究集中在科學上稱為”量子電池“的概念上，它探索量子熱力學，以創造精確、高效和穩健的量子比特作新技術。”

此后，該公司將這項研究用于量子計算機的量子比特控制方案。

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“在過去的一年里，我們認識到，通過將量子比特控制的新興想法與我們現有的方法相結合，可以顯著增強和擴展它們。這促使我們集中精力開發一種新的量子處理器架構，該架構可以建立在這種協同作用的基礎上，以克服限制量子計算機可擴展性的基本挑戰。

與此同時，來自日本理化學研究所量子計算中心和中國華中科技大學的研究人員進行了一項理論分析，展示了如何有效地設計“拓撲量子電池”。

這項工作有望應用于納米級儲能、光量子通信和分布式量子計算。

拓撲量子電池

這種拓撲方法使用光子波導對量子電池進行長距離充電。使用彎曲的非拓撲波導來引導光子的光子系統顯示出儲能效率的色散和退化。其他障礙包括環境耗散、噪聲和無序，所有這些都會導致光子退相干并降低電池的性能。

然而，這種耗散也可用于增強量子電池的充電能力，這只是使拓撲量子電池可用于實際應用的幾個優勢之一。

理化學研究所研究人員的一個重要發現是，利用波導的拓撲特性可以實現近乎完美的能量傳輸。該團隊還發現，當耗散超過臨界閾值時，充電功率會發生瞬態增強，打破了耗散總是阻礙性能的傳統預期。

“我們的研究從拓撲學角度提供了新的見解，并為實現高性能微儲能器件提供了提示。通過克服量子電池由長距離能量傳輸和耗散引起的實際性能限制，我們希望加速量子電池從理論到實際應用的過渡，“該研究的第一作者盧志光說。

“展望未來，我們將繼續努力彌合理論研究和量子器件實際部署之間的差距，”理化學研究所的研究員 Cheng Shang 說。

已經為實現 QB 設計了其他物理系統并進行了理論研究，包括相互作用的自旋集成。其他可能的材料包括冷原子、拓撲超導體和在強磁場中具有不規則邊界的石墨烯量子點 （QD）。

具有自旋狀態的 QB

意大利熱那亞大學的研究人員還開發了一種量子電池的想法，該電池在極低溫度下使用自旋態來儲存能量。通過在過冷材料中使用順磁性和鐵磁性，它們可以增強被困在量子系統中的能量的穩定性。

現任澳大利亞聯邦科學與工業研究組織 （CSIRO） 首席科學家的 James Quach 和阿德萊德大學的同事一直在開發在室溫下存儲糾纏光子的微腔。

這些電池由熱沉積制成，用于創建具有僅幾納米厚的活性層的空腔量子電池系統。在與墨爾本大學的合作中，超快激光脈沖用于研究每個系統復雜的充電動力學。

量子微腔

實現 QB 的平臺之一依賴于包含一組有機分子的微腔。在這里，法布里-佩羅諧振器通常用作微腔結構。它由夾在兩個高反射率平面平行鏡之間的一層有機材料形成。鏡子可以是金屬薄膜、分布式布拉格反射鏡 （DBR） 1D 晶體或兩者的組合。

最近，混合金屬 DBR 反射鏡由涂有幾層二氧化硅和氧化鈮 （SiO2/Nb2O5） 的厚銀層制成。這些混合反射鏡可實現寬帶反射率和增強的限制，并簡化制造方法。

DBR 也可以通過用旋涂、浸涂或刮刀交替使用具有不同折射率的聚合物和納米復合材料層來制造。

在演示充電時，Quach 的研究并未顯示累積能量的受控存儲和放電，因為腔體吸收的光能在超快的時間尺度上重新發射。有機微腔作為固態 QB 的實際應用的主要挑戰是設計和實現可以按需有效存儲和提取能量的裝置。

為了應對這樣的挑戰，腔體的活性材料可以設計成一對，一個腔體作為供體，另一個腔體作為受體。這將能量存儲數十微秒，被視為一種很有前途的方法。.

德國不來梅大學的其他研究人員構建了一個柱狀微腔，其中約有 200 個 QD 耦合到腔模式。該腔由兩個 AlAs/GaAs DBR 制成，頂部鏡面有 20 對，底部鏡面有 23 對，工作電壓為 10 K。

特溫特大學的一個團隊旨在使用核或磁雜質自旋中編碼的信息來收集能量。目前的研究主要集中在拓撲絕緣體的界面狀態上，其中電子自旋被鎖定在其動量方向上：在驅動電流通過材料時，自旋可以通過自旋翻轉相互作用將電子轉移到原子核，從而產生有限的核自旋極化。當這種極化熱松弛到無序狀態時，這些自旋翻轉相互作用將驅動有限的電荷電流，該電流可用于提取電子功。

然而，其他人正在研究用于低成本太陽能電池板以制造量子電池的相同鹵化鉛鈣鈦礦。這些材料的能級間距允許在室溫下運行，而不是過冷。鈣鈦礦材料的特性也可以通過外部場（如電場和光脈沖）進行調整，以產生具有長壽命狀態的材料。鈣鈦礦材料中的光電轉換效應也可用于放電階段。

量子電池材料

另一個重要因素是，在太陽能電池發展的推動下，鈣鈦礦材料的大規模合成和加工的最新進展與未來潛在 QB 生產的擴大高度相關，意大利比薩 CNR 納米科學研究所研究主任 Andrea Camposeo 說，他與普朗克聯合創始人 Marco Polini 最近在下表中評估了量子電池的材料和方法的范圍。

表：用于實現潛在 QB 的材料特性和相關加工方法由 Pisa 的 Camposeo 等人提供

量子技術可能是 QB 的主要用戶，特別是對于作需要相干和糾纏的量子設備。但是，雖然這些仍處于實驗階段，但世界各地有許多團體正在研究這項技術，以在未來幾年內擴大儲能規模。