研究团队打造出了世界上第一块微型验证概念的量子电池。专家表示，如果这项技术能够复制，它将永远改变能量存储领域，并为轻量化和偏远地区电气化开辟新的可能性。

研究团队在3月13日发表于期刊《光：科学与应用》上的一项研究中概述了他们的量子电池设计。他们表示，这种电池既可用于长期储能，也可用于高能量密度的电池应用，例如重型电动汽车。

该研究的合著者之一、墨尔本大学物理化学副教授詹姆斯·哈钦森表示，未来，量子电池的充电速度或将远快于传统电池，同时展现出更高的能量密度和耐用性。

在标准锂离子电池中，离子通过电解质在阴极和阳极之间移动。但在量子电池内部，能量以相干分子之间的电磁激发形式存储——这些分子具有非随机的内部状态，例如振动能量或电子态。这样它们就能彼此保持稳定的关联。

量子电池依赖于量子力学的奇特规律。在这种情况下，研究人员利用了量子相干性——一种大量局域粒子同时存在于多种状态中的效应。这些粒子虽然处于“叠加态”，但彼此之间的行为是相对可预测的。在电池中汇聚后，这些相干粒子会发生量子纠缠，这意味着它们不仅仅是彼此对齐，更是在功能上融为一体，形成一个更大的系统。

这使得电池内的所有分子都能以恒定速率充电，无论电池大小如何。参与的分子越多，整个系统吸收能量的效率就越高，也就是说，电池做得越大，实际充电时间反而越短。

哈钦森在声明中解释说：“与传统电池类似，量子电池也能充电、储存能量和放电。但普通电池依赖化学反应，而量子电池利用的是量子力学的特性。量子的好处在于，系统通过一次巨大的‘超级吸收’来吸收光，从而更快地为电池充电。”

量子电池的构成

量子电池的构成

为了制造这种电池，研究人员依赖于量子光学中的迪克模型，该模型指出，当光与物质之间的耦合超过设定值时，它们可以变得超辐射——即一组发射体以短暂而强烈的脉冲集体发射光。

实际上，这种电池由一系列有机半导体层（发生耦合的区域）组成，这些层夹在银镜之间，形成一个微腔——一种将光限制在小体积内、使其能够多次反射的微观结构。

这使得相干分子或原子群能够以统一的脉冲发射光——这是量子电池放电所需的功能——同时也能以相干分子数的平方倍的速率吸收光。这被称为超吸收。微腔对于耦合和超吸收至关重要，因为它提供了合适的受限环境，以实现迪克模型中设定的光与物质的比值。

在有机半导体下方和上方，空穴阻挡层和电子传输层确保电子在必要时能够流向阴极和其他电极，这样一来，这个系统才能真正当电池用。

在墨尔本大学超快与显微光谱实验室的测试中，研究人员发射了一个光谱宽度为31纳米的激光脉冲，持续时间仅一飞秒（即千万亿分之一秒），这使分子进入激发态，该激发态持续了数十纳秒（即一亿分之几秒）。

也就是说，这种电池存电的时间能达到充电时间的一百万倍。

照这个速度算，一块只需一分钟就能充满的电池，可以保持电量好几年。研究员詹姆斯·库奇，澳大利亚国家科学机构CSIRO的科学负责人，对《卫报》说。

接下来，研究人员要在不掉电的情况下把电池做大。这是个关键难题，因为环境噪声会破坏或消除量子行为（这个过程叫“退相干”），而量子电池中的能量很容易受其影响。

如果能克服这个障碍，量子电池真正用起来后，意义会非常大。比如，用激光远程充电，无人机或飞机就能在空中补电，应用场景就更多了。

安德鲁·怀特是昆士兰大学量子技术实验室的负责人，他告诉《卫报》，这项技术一开始可能可以给量子计算机供电，而且能源成本极低。