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

量子電池不是利用鋰、鈉或鉛離子的轉(zhuǎn)移來發(fā)電，而是儲存來自光子的能量。由于量子效應(yīng)（如糾纏和超吸收），它們幾乎可以瞬間充電。它們不會在短期內(nèi)為電動汽車提供動力，但可用于量子通信，并可能提高太陽能電池的效率。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 和比利時魯汶大學(xué)的 Mark Fannes 首次提出，但到目前為止，只有概念驗證演示。這個想法是糾纏光子可以在短時間內(nèi)儲存少量能量。這可以在微腔中的有機材料或過冷材料中完成，并且有可能按比例放大以用作實用電池。

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)。

“人們對量子物理學(xué)的新前沿的興趣，特別是對所謂的量子熱力學(xué)領(lǐng)域，以及對量子材料非常規(guī)特性的研究，從未如此強烈。我們相信，現(xiàn)在是時候開發(fā)新的能源管理技術(shù)了，以利用量子力學(xué)的獨特特性，“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。

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 中測試了下一代量子處理器。

該公司表示：“我們的愿景是，擴展量子技術(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)。”

此后，該公司將這項研究用于量子計算機的量子比特控制方案。

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“在過去的一年里，我們認(rèn)識到，通過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，可以顯著增強和擴展它們。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，以克服限制量子計算機可擴展性的基本挑戰(zhàn)。

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

這項工作有望應(yīng)用于納米級儲能、光量子通信和分布式量子計算。

拓?fù)淞孔与姵?/p>

這種拓?fù)浞椒ㄊ褂霉庾硬▽?dǎo)對量子電池進行長距離充電。使用彎曲的非拓?fù)洳▽?dǎo)來引導(dǎo)光子的光子系統(tǒng)顯示出儲能效率的色散和退化。其他障礙包括環(huán)境耗散、噪聲和無序，所有這些都會導(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量子電池的充電能力，這只是使拓?fù)淞孔与姵乜捎糜趯嶋H應(yīng)用的幾個優(yōu)勢之一。

理化學(xué)研究所研究人員的一個重要發(fā)現(xiàn)是，利用波導(dǎo)的拓?fù)涮匦钥梢詫崿F(xiàn)近乎完美的能量傳輸。該團隊還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耗散超過臨界閾值時，充電功率會發(fā)生瞬態(tài)增強，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)角度提供了新的見解，并為實現(xiàn)高性能微儲能器件提供了提示。通過克服量子電池由長距離能量傳輸和耗散引起的實際性能限制，我們希望加速量子電池從理論到實際應(yīng)用的過渡，“該研究的第一作者盧志光說。

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

已經(jīng)為實現(xiàn) QB 設(shè)計了其他物理系統(tǒng)并進行了理論研究，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)體和在強磁場中具有不規(guī)則邊界的石墨烯量子點 （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)來儲存能量。通過在過冷材料中使用順磁性和鐵磁性，它們可以增強被困在量子系統(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系統(tǒng)復(fù)雜的充電動力學(xué)。

量子微腔

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

DBR 也可以通過用旋涂、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)合材料層來制造。

在演示充電時，Quach 的研究并未顯示累積能量的受控存儲和放電，因為腔體吸收的光能在超快的時間尺度上重新發(fā)射。有機微腔作為固態(tài) QB 的實際應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計和實現(xiàn)可以按需有效存儲和提取能量的裝置。

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

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

特溫特大學(xué)的一個團隊旨在使用核或磁雜質(zhì)自旋中編碼的信息來收集能量。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量方向上：在驅(qū)動電流通過材料時，自旋可以通過自旋翻轉(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序狀態(tài)時，這些自旋翻轉(zhuǎn)相互作用將驅(qū)動有限的電荷電流，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。這些材料的能級間距允許在室溫下運行，而不是過冷。鈣鈦礦材料的特性也可以通過外部場（如電場和光脈沖）進行調(diào)整，以產(chǎn)生具有長壽命狀態(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

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

表：用于實現(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，雖然這些仍處于實驗階段，但世界各地有許多團體正在研究這項技術(shù)，以在未來幾年內(nèi)擴大儲能規(guī)模。