量子電池 （QB） 已被提議作為我們所熟知的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的替代品。

量子電池不是利用鋰、鈉或鉛離子的轉(zhuǎn)移來(lái)發(fā)電，而是儲(chǔ)存來(lái)自光子的能量。由于量子效應(yīng)（如糾纏和超吸收），它們幾乎可以瞬間充電。它們不會(huì)在短期內(nèi)為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，但可用于量子通信，并可能提高太陽(yáng)能電池的效率。它們甚至可以并行用于小型電子設(shè)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(xì)表格（見(jiàn)下文）。

量子電池于 2013 年由波蘭格但斯克大學(xué)的 Robert Alicki 和比利時(shí)魯汶大學(xué)的 Mark Fannes 首次提出，但到目前為止，只有概念驗(yàn)證演示。這個(gè)想法是糾纏光子可以在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存少量能量。這可以在微腔中的有機(jī)材料或過(guò)冷材料中完成，并且有可能按比例放大以用作實(shí)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(fā) QB 技術(shù)。

“人們對(duì)量子物理學(xué)的新前沿的興趣，特別是對(duì)所謂的量子熱力學(xué)領(lǐng)域，以及對(duì)量子材料非常規(guī)特性的研究，從未如此強(qiáng)烈。我們相信，現(xiàn)在是時(shí)候開發(fā)新的能源管理技術(shù)了，以利用量子力學(xué)的獨(dú)特特性，“首席科學(xué)官 （CSO） 兼聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Vittorio Giovannetti 說(shuō)。

此后，它開始開發(fā)量子處理器，上周與那不勒斯大學(xué)合作，在該大學(xué)的 QTLab 中測(cè)試了下一代量子處理器。

該公司表示：“我們的愿景是，擴(kuò)展量子技術(shù)需要將傳統(tǒng)的量子信息科學(xué)與新興領(lǐng)域的創(chuàng)新方法相結(jié)合，特別是材料科學(xué)和量子熱力學(xué)。

“最初，我們的研究集中在科學(xué)上稱為”量子電池“的概念上，它探索量子熱力學(xué)，以創(chuàng)造精確、高效和穩(wěn)健的量子比特作新技術(shù)?！?/p>

此后，該公司將這項(xiàng)研究用于量子計(jì)算機(jī)的量子比特控制方案。

• Qunnect 為量子內(nèi)存籌集了 $10m

“在過(guò)去的一年里，我們認(rèn)識(shí)到，通過(guò)將量子比特控制的新興想法與我們現(xiàn)有的方法相結(jié)合，可以顯著增強(qiáng)和擴(kuò)展它們。這促使我們集中精力開發(fā)一種新的量子處理器架構(gòu)，該架構(gòu)可以建立在這種協(xié)同作用的基礎(chǔ)上，以克服限制量子計(jì)算機(jī)可擴(kuò)展性的基本挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，來(lái)自日本理化學(xué)研究所量子計(jì)算中心和中國(guó)華中科技大學(xué)的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)理論分析，展示了如何有效地設(shè)計(jì)“拓?fù)淞孔与姵亍薄?/p>

這項(xiàng)工作有望應(yīng)用于納米級(jí)儲(chǔ)能、光量子通信和分布式量子計(jì)算。

拓?fù)淞孔与姵?/p>

這種拓?fù)浞椒ㄊ褂霉庾硬▽?dǎo)對(duì)量子電池進(jìn)行長(zhǎng)距離充電。使用彎曲的非拓?fù)洳▽?dǎo)來(lái)引導(dǎo)光子的光子系統(tǒng)顯示出儲(chǔ)能效率的色散和退化。其他障礙包括環(huán)境耗散、噪聲和無(wú)序，所有這些都會(huì)導(dǎo)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(qiáng)量子電池的充電能力，這只是使拓?fù)淞孔与姵乜捎糜趯?shí)際應(yīng)用的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)之一。

理化學(xué)研究所研究人員的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，利用波導(dǎo)的拓?fù)涮匦钥梢詫?shí)現(xiàn)近乎完美的能量傳輸。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耗散超過(guò)臨界閾值時(shí)，充電功率會(huì)發(fā)生瞬態(tài)增強(qiáng)，打破了耗散總是阻礙性能的傳統(tǒng)預(yù)期。

“我們的研究從拓?fù)鋵W(xué)角度提供了新的見(jiàn)解，并為實(shí)現(xiàn)高性能微儲(chǔ)能器件提供了提示。通過(guò)克服量子電池由長(zhǎng)距離能量傳輸和耗散引起的實(shí)際性能限制，我們希望加速量子電池從理論到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)渡，“該研究的第一作者盧志光說(shuō)。

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

已經(jīng)為實(shí)現(xiàn) QB 設(shè)計(jì)了其他物理系統(tǒng)并進(jìn)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?fù)涑瑢?dǎo)體和在強(qiáng)磁場(chǎng)中具有不規(guī)則邊界的石墨烯量子點(diǎn) （QD）。

具有自旋狀態(tài)的 QB

意大利熱那亞大學(xué)的研究人員還開發(fā)了一種量子電池的想法，該電池在極低溫度下使用自旋態(tài)來(lái)儲(chǔ)存能量。通過(guò)在過(guò)冷材料中使用順磁性和鐵磁性，它們可以增強(qiáng)被困在量子系統(tǒng)中的能量的穩(wěn)定性。

現(xiàn)任澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織 （CSIRO） 首席科學(xué)家的 James Quach 和阿德萊德大學(xué)的同事一直在開發(fā)在室溫下存儲(chǔ)糾纏光子的微腔。

這些電池由熱沉積制成，用于創(chuàng)建具有僅幾納米厚的活性層的空腔量子電池系統(tǒng)。在與墨爾本大學(xué)的合作中，超快激光脈沖用于研究每個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的充電動(dòng)力學(xué)。

量子微腔

實(shí)現(xiàn) QB 的平臺(tái)之一依賴于包含一組有機(jī)分子的微腔。在這里，法布里-佩羅諧振器通常用作微腔結(jié)構(gòu)。它由夾在兩個(gè)高反射率平面平行鏡之間的一層有機(jī)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(shí)現(xiàn)寬帶反射率和增強(qiáng)的限制，并簡(jiǎn)化制造方法。

DBR 也可以通過(guò)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(fù)合材料層來(lái)制造。

在演示充電時(shí)，Quach 的研究并未顯示累積能量的受控存儲(chǔ)和放電，因?yàn)榍惑w吸收的光能在超快的時(shí)間尺度上重新發(fā)射。有機(jī)微腔作為固態(tài) QB 的實(shí)際應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以按需有效存儲(chǔ)和提取能量的裝置。

為了應(yīng)對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，腔體的活性材料可以設(shè)計(jì)成一對(duì)，一個(gè)腔體作為供體，另一個(gè)腔體作為受體。這將能量存儲(chǔ)數(shù)十微秒，被視為一種很有前途的方法。.

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

特溫特大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)旨在使用核或磁雜質(zhì)自旋中編碼的信息來(lái)收集能量。目前的研究主要集中在拓?fù)浣^緣體的界面狀態(tài)上，其中電子自旋被鎖定在其動(dòng)量方向上：在驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)材料時(shí)，自旋可以通過(guò)自旋翻轉(zhuǎn)相互作用將電子轉(zhuǎn)移到原子核，從而產(chǎn)生有限的核自旋極化。當(dāng)這種極化熱松弛到無(wú)序狀態(tài)時(shí)，這些自旋翻轉(zhuǎn)相互作用將驅(qū)動(dòng)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(yáng)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(jí)間距允許在室溫下運(yùn)行，而不是過(guò)冷。鈣鈦礦材料的特性也可以通過(guò)外部場(chǎng)（如電場(chǎng)和光脈沖）進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生具有長(zhǎng)壽命狀態(tài)的材料。鈣鈦礦材料中的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)也可用于放電階段。

量子電池材料

另一個(gè)重要因素是，在太陽(yáng)能電池發(fā)展的推動(dòng)下，鈣鈦礦材料的大規(guī)模合成和加工的最新進(jìn)展與未來(lái)潛在 QB 生產(chǎn)的擴(kuò)大高度相關(guān)，意大利比薩 CNR 納米科學(xué)研究所研究主任 Andrea Camposeo 說(shuō)，他與普朗克聯(lián)合創(chuàng)始人 Marco Polini 最近在下表中評(píng)估了量子電池的材料和方法的范圍。

表：用于實(shí)現(xiàn)潛在 QB 的材料特性和相關(guān)加工方法由 Pisa 的 Camposeo 等人提供

量子技術(shù)可能是 QB 的主要用戶，特別是對(duì)于作需要相干和糾纏的量子設(shè)備。但是，雖然這些仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但世界各地有許多團(tuán)體正在研究這項(xiàng)技術(shù)，以在未來(lái)幾年內(nèi)擴(kuò)大儲(chǔ)能規(guī)模。