能瞬间充电的量子电池

锂电池的缺点：充电慢

随着手机等移动设备的普及以及新能源交通工具的兴起，我们的生活已经离不开充电电池。

从技术上讲，任何可以储存能量的东西，从儿童玩具内的发条到高山上的水库，都可称之为“电池”。然而，对我们大多数人来说，“电池”这个词特指的是电化学电池(通过电化学的原理制造的电池)，要么是一次性的，要么是可反复充电的。这种电池在充满电的时候，电子和离子被强行从电极上分离，以此储存能量。当你打开用电设备，带电粒子就流动起来，以电力的形式释放它们储存的能量。

目前应用最广的充电电池是锂电池。锂电池的优势在于其相对较高的容量和寿命，这为它的开发者赢得了2019年的诺贝尔化学奖。但它的缺点也是很明显的，就是充电速度慢。手机充一次电至少要二三十分钟，电动汽车或电动自行车更是一充就要几个小时，有时候真是急死人。但如果充电过快，锂离子就会不可逆地吸附在阳极上，导致性能下降，随着时间的推移甚至可能爆炸。

虽然经过这些年的改进，锂电池的充电时间在缩短，但受限于其电化学的工作原理，要大幅度缩短，恐怕不切实际。

但是，正如借助于量子的怪异行为，量子计算机能几分钟内就解决传统计算机几年才能解决的问题，在缩短充电时间的问题上，量子电池或许也能帮我们一把，瞬间充电不是遥远的梦想。

传统电池无关乎量子物理

“量子电池”的概念是10年前由波兰的罗伯特·阿利基和比利时的马克·范尼斯首次提出来的，但最初不是为了解决“锂电池充电慢”这个问题。作为理论物理学家，他们感兴趣的是这种电池的基本概念是否能阐明一个困扰了几代物理学家的大问题：我们知道，宏观物体是由微观粒子组成的，但为什么单个(或者少数)微观粒子的行为与宏观物体的行为大不一样，前者服从诡异的量子规律，后者却服从直观的经典规律(如牛顿力学)?从微观的“量子世界”到宏观的“经典世界”到底是怎么过渡的?

实验室首个以有机染料的分子做量子比特的量子电池模型

量子世界在本质上是怪异的、难以理解的。在没有观察的情况下，单个的粒子不再具有明确的属性(如位置、动量、能量、自旋等)。相反，它可以同时在这里又在那里，在这个状态又在那个状态，我们称这种状态为“叠加态”。它还可以与其他粒子协同行动，改变一个粒子的状态会瞬间影响到另一个粒子的状态，哪怕两者在距离上相隔非常遥远，这种现象被称为“量子纠缠”。

不过，对于开发传统电池的科学家来说，这一切都不关他们的事。因为传统电池一次充电就涉及100亿个或更多电子的移动，这是一种宏观行为，不必涉及高深的量子物理，经典物理学中研究大规模粒子集体属性(如热、能量和功)的学科——热力学，就足够描述。

热力学在描述由大量微观物体组成的系统的宏观属性方面取得了巨大的成功。它取得成功的关键在于它对单个粒子的行为不敏感，它处理的是由大量粒子组成的系统，所以取平均数就足矣。譬如，温度就只跟大量分子运动的平均速率有关，与单个分子运动的速率无关。所以一个分子的运动，无法显示环境的温度。

然而，近年来，理论家们想知道，如果热力学定律被用于服从量子规律的单个粒子是否仍然有效。他们相信，如果回答了这个问题，可能有助于阐明“量子世界是如何向经典世界过渡的”这个问题。对阿利基和范尼斯来说，要回答这个问题，没有比一个储存有一定能量的量子系统更合适的研究对象了。于是，他俩着手设计一种基于量子规则的电池。

量子电池在容量上没有优势

从表面上看，量子电池与普通电池没什么不同。就像水坝底部的水，它由喜欢以低能量状态存在的微观物体组成，但它可以被强行置于高能量状态，直到它需要为别的设备提供能量。组成量子电池的，可以是电子、离子、中性原子或光子，它们是量子物体，可以同时以不同状态叠加的形式而存在。在这里，我们借用量子计算机的术语“量子比特”来描述它们。

什么是量子比特呢?我们知道，在电脑科学中，0或1代表1比特。但如果有一个量子态，不测量的时候，它可以处于0和1的任意叠加态，只有在测量时，它才会选择以0或1确定地呈现给我们，我们就说它代表1量子比特。因为1比特只包含0或1两种确定的状态，而1量子比特不仅包括0或1两种确定的状态，也包括0和1以任意概率叠加的状态(比如50%的概率是0，50%的概率是1，或者80%的概率是0，20%的概率是1，如此等等)，所以不难理解，1量子比特所包含的状态比1比特包含的状态要多得多。

对于量子电池而言，量子比特是由什么构成的并不重要，重要的是它们能够被精确操纵，以产生量子纠缠——在这种情况下，至少有两个量子比特之间存在着不可分割的联系。

阿利基和范尼斯想知道，同样一个储能系统(相当于一个电池)，在发生量子纠缠(量子电池)和没发生量子纠缠(传统电池)的情况下，我们能从中提取的能量是否相同?2013年，他们计算表明，当系统比较小，只有少量量子比特的时候，有纠缠和没纠缠两种情况差异确实比较大;然而，随着系统增大，越来越多的量子比特发生纠缠，两者的情况就渐趋一致了。

换句话说，大的系统量子纠缠越多，效果上反而越跟没发生任何量子纠缠时一样。因为现实中可应用的电池系统都是包含大量粒子的系统，这意味着，就电容量而言，量子电池并不比传统电池具有更多的优势。

量子纠缠提高电池的充电速度

量子电池虽然不能提高电池的容量，然而2015年，澳大利亚物理学家卡凡·莫迪却证明，量子纠缠可以提高电池的充电速度。

为什么会这样?让我们深入了解量子行为的奥秘。当一个经典电池充电时，它实际上就是从低能量状态“旅行”到高能量状态。想想看，这就像一个骑自行车的人沿着一条直路从A地骑到B地。在只有一个量子比特的量子电池中，情况也是如此。但是，将第二个量子比特与第一个量子比特纠缠在一起，就会出现一条捷径。你或许会问：从A地到B地已经是直线了，怎么还会有捷径呢?原来呀，经典物理学中的捷径都是假象，就好比你从地图上看，从A地到B地是一条直线，当你实际去走的时候却发现，这条直线穿越了很多高山，你须得随着地势上上下下，爬过无数的山丘和山谷才能到达，而这就拖慢了你的行程。

而两个量子比特纠缠起来，协同工作，就能够为你提供更快捷的路径。为什么会这样呢?这涉及关于量子纠缠的一个神秘话题：量子纠缠的本质是什么?

量子纠缠是一种非常诡异的现象，两个发生纠缠的粒子，哪怕相隔非常遥远，对其中一个操作，也能瞬间影响到另一个粒子，其影响速度超过了光速。对于这个现象，一种解释是，量子纠缠打开了额外的维度，因为只有通过额外的维度，才有超光速的可能。譬如，一只蚂蚁从一口碗的外面爬进里面，它必须沿着碗面爬，绕一个很大的弯子，它的速度无论如何都不会快;但如果碗底有一个洞，它从洞直接钻进去，就能省很多时间，让我们以为它的速度很快。洞相当于为它打开了一个额外的维度。

当然，额外维度是否存在，在物理学上还是一件有争议的事情。没有人知道我们在理解量子纠缠时引入的“额外维度”是代表一个物理现实，还是说，这只是一种数学方法。这里可以举个例子区别什么是“物理现实”，什么是“数学方法”。譬如，飞机在天空中画出一条轨迹线，我们认为这是物理现实。但我们也可以用一条曲线画出股票涨落的行情，这就不是物理事实，仅是一种数学方法了，因为现实中并不存在一条股票运动的曲线。对于“额外维度”，物理学家现在所知道的是，它在计算上是有效的。超级强大的量子计算机，超级安全的量子通信，超级敏感的量子探测器，所有这些技术都涉及类似的高维数学，并且已经被实验证明。

那么，我们姑且采用这种解释接下去说。当两个量子比特纠缠，打开了一个额外的维度，为我们提供了一条捷径;每纠缠上一个新的量子比特，就打开一个新的维度，新的维度为我们提供了一条从低能态到高能态的更快捷的路径。

所以，量子电池的充电时间与纠缠的量子比特的数量成反比。假设一个量子比特需要一个小时来充电，那么6个量子比特可以在10分钟内完成充电。电池容量越大，充电反而越快。原则上，未来的量子电池可以迅速充电，以至于操作几乎瞬间完成。对于电动汽车来说，只要从一个充电站通过，你甚至不需要停车。

量子计算机可作量子电池用

2022年1月，澳大利亚阿德莱德大学的詹姆斯·奎奇等人通过实验证实了量子电池的优势。他们的量子比特是一种有机染料的分子，大约有100亿个，其中部分分子发生了量子纠缠;每个分子都有一个低能态和一个高能态，低能态吸收光子，就跳到高能态。实验者将这些分子放置在两面小镜子之间的空腔中，用激光来回照射它们。分子吸收光子，从低能态跳到高能态，这等于把光子的能量储存到分子上，相当于给广义上的电池充电。他们发现，整个系统吸收光子的速度，远远超过了单个分子在没有任何量子纠缠的情况下吸收光子的速度。

在这个量子电池中，储存的实际上是光子。为了将光转换为电，他们还需要以某种方式加入一个导电层，这样才能使它成为真正的电池。不过遗憾的是，这个量子电池即使在充满“电”的情况下，所能提供的“电量”也只有一节普通AA电池电量的十亿分之一。所以，奎奇对于量子电池能否扩大到实际应用表示怀疑。

量子电池的另一个难题是量子纠缠状态在现实中是一种很难保持的状态，需要跟周围环境高度隔离，否则很容易遭到环境的干扰而崩溃。

总之，量子电池要想得到实际应用，还有很长一段路要走。不过，好消息是，最近一位意大利物理学家指出，由于量子计算机和量子电池都是由量子比特构建的，一台量子计算机其实就可以当作量子电池，而且就像把冰箱当作储物柜使，这属于降档使用。所以量子计算机研究上取得的任何进展，都将为量子电池的应用带来曙光。