量子計(jì)算機(jī)能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的計(jì)算問題。例如，Xanadu最近聲稱，其量子計(jì)算機(jī)能夠在36微秒內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī)需要9000年才能完成的計(jì)算任務(wù)，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性。

同樣的，電池也有量子優(yōu)越性——“量子電池”是一種用作能量存儲(chǔ)設(shè)備的量子力學(xué)系統(tǒng)。今年3月，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)提出了一種理論上比傳統(tǒng)電池充電快200倍量子充電技術(shù)。

盡管取得了一系列理論成就，但量子電池的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)仍然很少；尋找可用作量子電池的新的、更易于使用的量子平臺(tái)顯然至關(guān)重要。近日，IBS復(fù)雜系統(tǒng)理論物理中心(PCS)的研究人員與Giuliano Benenti（意大利英蘇布里亞大學(xué)）合作，重新審視過去已被大量研究的量子力學(xué)系統(tǒng)——“微脈澤”（micromaser）。相關(guān)論文以《微脈澤作為量子電池》為題[1]，發(fā)表在《量子科學(xué)與技術(shù)》上。

兩個(gè)“量子手機(jī)”的例子，都是由基于電磁場的量子電池充電。左邊，不使用微脈澤方法的充電協(xié)議會(huì)導(dǎo)致不受控制的電池充電，并可能造成損害；右邊，基于微脈澤的充電協(xié)議能夠自我控制存入電荷量。

“微脈澤”（micromaser）是一個(gè)系統(tǒng)，其中一束原子被用來將光子泵入一個(gè)腔體。簡單地說，微脈澤可以被認(rèn)為是與上述量子電池的實(shí)驗(yàn)模型相類似的配置：能量被儲(chǔ)存到電磁場中，而電磁場是由依次與之發(fā)生作用的量子流來充電的[2]。

IBS PCS的研究人員和合作者表明，微脈澤的特點(diǎn)使其可以作為量子電池的優(yōu)秀模型。當(dāng)試圖使用電磁場來儲(chǔ)存能量時(shí)，主要的擔(dān)憂之一是，原則上電磁場可以吸收大量的能量——可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需的能量。用一個(gè)簡單的例子來類比，這就相當(dāng)于一個(gè)手機(jī)電池，當(dāng)插上電源后，會(huì)繼續(xù)無限期地增加其電量。在這種情況下，忘記手機(jī)插電可能是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)闆]有機(jī)制來停止充電。

幸運(yùn)的是，該團(tuán)隊(duì)的數(shù)值結(jié)果顯示[3]，這種情況不會(huì)發(fā)生在微脈澤中。電磁場迅速達(dá)到最終配置（技術(shù)上稱為穩(wěn)定狀態(tài)），其能量可以在建造微脈澤時(shí)預(yù)先確定和決定。這一特性確保了對(duì)過度充電風(fēng)險(xiǎn)的保護(hù)。

此外，研究人員表明，電磁場的最終配置處于純態(tài)，這意味著它不會(huì)帶來充電過程中使用過的量子比特的記憶。在處理量子電池時(shí)，這種特性特別關(guān)鍵：它確保了儲(chǔ)存在電池中的所有能量可以在必要時(shí)被提取和使用，而不需要跟蹤在充電過程中使用的量子比特。

最后，研究表明，這些吸引人的特征是魯棒的，不會(huì)因?yàn)楦淖儽狙芯恐卸x的特定參數(shù)而被破壞。這一特性在試圖建立一個(gè)實(shí)際的量子電池時(shí)具有明顯的重要性，因?yàn)樵诮⑦^程中的不完善是根本無法避免的。

微脈澤量子電池的性能。(a)：儲(chǔ)存的能量（上圖）和純度（下圖）。(b)：對(duì)比試驗(yàn)下密度矩陣的絕對(duì)值，微脈澤（上圖）和非微脈澤情況（下圖）。這一對(duì)比圖證明了微脈澤量子電池的性能更加優(yōu)越。

有趣的是，在一系列平行的論文中，Stefan Nimmrichter[4]等科學(xué)家已經(jīng)表明，量子效應(yīng)可以使微脈澤的充電過程比經(jīng)典充電更快。換句話說，他們已經(jīng)能夠證明在微脈澤電池的充電過程中存在之前提到的量子優(yōu)勢。所有這些結(jié)果表明，微脈澤可以被認(rèn)為是一個(gè)有前途的新平臺(tái)，可以用來建造量子電池，這一事實(shí)推動(dòng)了建立新的量子電池原型的工作。

為此，IBS PCS的研究人員和Giuliano Benenti目前正與Stefan Nimmrichter及其合作者開始合作，進(jìn)一步探索這些有前景的模型。這個(gè)新的研究合作將最終能夠?qū)谖⒚}澤的量子電池設(shè)備的性能進(jìn)行基準(zhǔn)測試和實(shí)驗(yàn)測試。

參考鏈接：

[1]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ac8829

[2]https://phys.org/news/2022-08-stable-quantum-batteries-reliably-energy.html#

[3]https://arxiv.org/pdf/2204.09995.pdf

[4]https://scholar.google.de/citations?user=qO1UFewAAAAJ&hl=de