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量子快充新研究：速度可提高200倍，几秒钟从零加满，电车时代有望了？

启示号
汽车
3年前
240

机器之心编译
机器之心编辑部

续航和快充问题解决一个，电车的推广就没有多少阻碍了。

无论是光伏还是聚变，人类文明迟早都要转向可再生能源。鉴于人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性，这种趋势是不可逆转的。为了开发替代能源，人类已经进行了很多研究，其中大部分是使用电力作为主要能源载体。
随着可再生能源产品和设备受到更多重视，人们的生活也发生了变化，最明显的是电动汽车的普及。尽管 10 年前还很少在道路上见到电动汽车，但如今它的年均售出数量已经达到数百万，成为市场增长最快的行业之一。
与从碳氢化合物燃料的燃烧中获取能量的传统汽车不同，电动汽车依靠电池作为其能量的存储介质。长期以来，电池的能量密度远低于碳氢化合物，这导致早期电动汽车的续航里程非常低。然而，电池技术的逐步改进最终使电动汽车的行驶里程与燃油汽车相比处于可接受的水平。毫不夸张地说，电池存储技术的改进是触发当前电动汽车革命必须解决的主要技术瓶颈之一。
然而，尽管电池技术取得了巨大进步，但如今的电动汽车消费者面临着另一个难题：电池充电速度缓慢。目前，汽车在家中充满电大约需要 10 个小时。即使是充电站最快的超级充电桩也需要长达 20 到 40 分钟才能为车辆充满电，这带来了额外的成本和不便。
为了解决这个问题，科学家们开始在量子物理学领域寻找答案。他们通过研究发现，量子技术可能会带来加快电池充电速度的新机制。
量子电池技术最早是 Alicki 和 Fannes 于 2012 年发表的一篇开创性论文中提出的。从理论上说，量子资源（例如纠缠）可以把电池组中的所有单电池当成一个整体来充电（collective charging），大大加快电池组充电过程。

Alicki 和 Fannes 2012 年的论文。论文链接：https://arxiv.org/pdf/1211.1209.pdf
这个结论令人兴奋，因为现代的大容量电池组会包含很多单电池，在经典电池组中，各个单电池是以彼此独立、并行的方式来充电的，被当成一个整体来充电是不可能的。这种聚合充电与并行充电的差距可以通过一个叫做量子充电优越性的比率来衡量。

传统充电方式 VS. 量子充电方式。传统的电池是平行充电的，这意味着每个电池都是独立充电的。相比之下，量子电池在充电过程中被当做一个整体，这是使用纠缠运算（ entangling operation ）来实现的。
大约在 2017 年，研究者们注意到这种量子优越性可能来源于两方面：全局运算（global operation），其中所有单电池同时和其他单电池相互交流，像是所有人围在一张桌子旁；以及 all-to-all 耦合，就像是许多个讨论小组，但每个组只有两个组员。
在过去的几年里，研究者一直不清楚这两种来源是否都有必要，以及可达到的充电速度是否有任何限制。
最近，韩国基础科学研究所（IBS）复杂系统理论物理中心的科学家们进一步探索了这些问题。
这篇被《物理评论快报（Physical Review Letters）》杂志选为编辑推荐的论文表明，all-to-all 耦合在量子电池中是无关紧要的，全局运算的存在是量子优越性的唯一因素。团队进一步分析了这种优越性的精确来源，同时排除了其他可能性，然后提供了一种设计该电池的方法。

正式版论文链接：https://journals.aps.org/prl/accepted/b2071Y51Ued1187a36cd9e31803b4e2fe0b5fa51e
预印本链接：https://arxiv.org/pdf/2108.02491.pdf

此外，该小组还能够精确量化该方案可以实现的充电速度。经典电池的最大充电速度随单电池数增加而线性提升，但该研究表明，采用全局运算的量子电池充电速度可实现二次指数提升。
举个例子，假如你有一台电动汽车，它的单电池数目是 200。使用这种量子充电技术，你的电车充电速度将是传统电池的 200 倍。这意味着你在家充电的速度将由原来的 10 小时缩短到 3 分钟，在高速充电站的充电速度将由 30 分钟降至数秒。
就电动汽车领域而言，有人认为这个技术方向前途不太明朗，毕竟现在还处于纯理论阶段，可能需要几十年甚至上百年才能实现，相比之下，继续发展换电基础设施服务可能要更加实际一些。

不过，研究人员表示，量子充电的影响是深远的，可能远远超出电动汽车和消费类电子产品。例如，未来的聚变发电站可能会用到这项技术，因为这些发电站需要在极短的时间内充、放大量的电能。当然，量子技术仍处于起步阶段，要实现这些方法的实际应用还有很长的路要走。然而，诸如此类的研究发现创造了一个有前途的方向，可以激励机构和企业进一步投资于这些技术。
对于这项技术，各位读者觉得靠谱吗？
原文链接：https://phys.org/news/2022-03-quantum-technology-electric-cars-fast.html