無論是光伏還是核聚變，人類文明遲早轉向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，這是不可避免的。因此，為了開發替代能源，人們已經進行了大量的研究，其中大部分利用電力作為主要的能源載體。伴隨著可再生能源的廣泛研發，社會也逐漸發生了變化，更多以可再生能源運行的新產品和設備被采用。最近最引人注目的變化是電動汽車的迅速采用。甚至在10年前，道路上幾乎看不到電動汽車，而現在每年有數百萬輛電動汽車被售出。電動汽車市場是增長最迅速的行業之一，它也推動埃隆-馬斯克成為世界上最富有的人。
然而，電動汽車的電池存儲技術是必須解決的主要技術瓶頸之一。
盡管電池技術有了巨大的改進，今天，電動汽車的消費者面臨著另一個困難——電池充電速度慢。目前，汽車需要大約10個小時才能完全充電，即使是充電站的超級充電器也需要長達20-40分鐘才能為車輛完全充電。這給客戶帶來了額外的成本和不便。
為了解決這個問題，科學家在神秘的量子物理學領域尋找答案。他們的探索導致發現，量子技術可能以更快的速度為電池充電。科學家Alicki和Fannes在2012年發表的一篇開創性論文中首次提出了這種“量子電池”的概念。理論上，量子資源，如糾纏，可以通過以集體方式同時對電池內的所有電池進行充電來大大加快電池的充電過程。
這尤其令人振奮。這種集體充電在傳統電池中是不可能的，因為在傳統電池中，電池是彼此獨立地平行充電的。這種集體充電與平行充電的優勢可以通過稱為“量子充電優勢”的比率來衡量。后來，大約在2017年，人們注意到這種量子優勢背后可能有兩個來源，即“全局操作”（所有的細胞同時與其他所有的細胞交談，即“所有的人坐在一張桌子上”）和“全耦合”（每個細胞可以與其他每個細胞交談，即“許多討論，但每個討論只有兩個參與者”）。然而，目前還不清楚這兩個來源是否是必要的，以及可以實現的充電速度是否有任何限制。
最近，基礎科學研究所（IBS）內的科學家們進一步探索了這些問題。研究論文表明，在量子電池中用全耦合是不合適的，而全局操作的存在是量子領域的優勢。該小組進一步指出了這種優勢的確切來源，同時排除了其他可能性，甚至提供了設計這種電池的明確方法。
此外，該小組還能夠精確地量化在這種方案中可以實現多少充電速度。雖然最大充電速度隨著經典電池中電池數量的增加而線性增長，但研究表明，采用全局操作的量子電池可以實現充電速度的二次擴展。為了說明這一點，科學家拿典型的電動汽車為例，其電池包含約200個單元。采用這種量子充電將使充電速度快200倍，這意味著在家里的充電時間將從10小時縮短到約3分鐘。在高速充電站，充電時間將從30分鐘縮短到僅僅幾秒鐘。
研究人員說，量子充電的影響遠遠超出電動汽車和消費電子產品。例如，它可能在未來的聚變電站中找到關鍵用途，因為聚變電站需要在瞬間充放電的大量能量。當然，量子技術仍然處于起步階段，在這些方法能夠在實踐中實施之前，還有很長的路要走。然而，像這樣的研究結果創造了一個有希望的方向，可以激勵投資機構和企業進一步投資于這些技術。如果被采用，相信量子電池將徹底改變人們使用能源的方式，并向可持續發展的未來邁進。
該研究論文題為"Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations"，已發表在《物理評論快報》期刊上。
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