无论是光伏还是核聚变，人类文明迟早转向可再生能源。考虑到人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性，这是不可避免的。因此，为了开发替代能源，人们已经进行了大量的研究，其中大部分利用电力作为主要的能源载体。伴随着可再生能源的广泛研发，社会也逐渐发生了变化，更多以可再生能源运行的新产品和设备被采用。最近最引人注目的变化是电动汽车的迅速采用。甚至在10年前，道路上几乎看不到电动汽车，而现在每年有数百万辆电动汽车被售出。电动汽车市场是增长最迅速的行业之一，它也推动埃隆-马斯克成为世界上最富有的人。
然而，电动汽车的电池存储技术是必须解决的主要技术瓶颈之一。
尽管电池技术有了巨大的改进，今天，电动汽车的消费者面临着另一个困难——电池充电速度慢。目前，汽车需要大约10个小时才能完全充电，即使是充电站的超级充电器也需要长达20-40分钟才能为车辆完全充电。这给客户带来了额外的成本和不便。
为了解决这个问题，科学家在神秘的量子物理学领域寻找答案。他们的探索导致发现，量子技术可能以更快的速度为电池充电。科学家Alicki和Fannes在2012年发表的一篇开创性论文中首次提出了这种“量子电池”的概念。理论上，量子资源，如纠缠，可以通过以集体方式同时对电池内的所有电池进行充电来大大加快电池的充电过程。
这尤其令人振奋。这种集体充电在传统电池中是不可能的，因为在传统电池中，电池是彼此独立地平行充电的。这种集体充电与平行充电的优势可以通过称为“量子充电优势”的比率来衡量。后来，大约在2017年，人们注意到这种量子优势背后可能有两个来源，即“全局操作”（所有的细胞同时与其他所有的细胞交谈，即“所有的人坐在一张桌子上”）和“全耦合”（每个细胞可以与其他每个细胞交谈，即“许多讨论，但每个讨论只有两个参与者”）。然而，目前还不清楚这两个来源是否是必要的，以及可以实现的充电速度是否有任何限制。
最近，基础科学研究所（IBS）内的科学家们进一步探索了这些问题。研究论文表明，在量子电池中用全耦合是不合适的，而全局操作的存在是量子领域的优势。该小组进一步指出了这种优势的确切来源，同时排除了其他可能性，甚至提供了设计这种电池的明确方法。
此外，该小组还能够精确地量化在这种方案中可以实现多少充电速度。虽然最大充电速度随着经典电池中电池数量的增加而线性增长，但研究表明，采用全局操作的量子电池可以实现充电速度的二次扩展。为了说明这一点，科学家拿典型的电动汽车为例，其电池包含约200个单元。采用这种量子充电将使充电速度快200倍，这意味着在家里的充电时间将从10小时缩短到约3分钟。在高速充电站，充电时间将从30分钟缩短到仅仅几秒钟。
研究人员说，量子充电的影响远远超出电动汽车和消费电子产品。例如，它可能在未来的聚变电站中找到关键用途，因为聚变电站需要在瞬间充放电的大量能量。当然，量子技术仍然处于起步阶段，在这些方法能够在实践中实施之前，还有很长的路要走。然而，像这样的研究结果创造了一个有希望的方向，可以激励投资机构和企业进一步投资于这些技术。如果被采用，相信量子电池将彻底改变人们使用能源的方式，并向可持续发展的未来迈进。
该研究论文题为"Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations"，已发表在《物理评论快报》期刊上。
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