量子充電被提出，汽車充電或只需幾秒

量子充電被提出，汽車充電或只需幾秒，新研究發現，量子技術有望掀開以更快速度爲電池充電的新篇章。新量子充電方案有望帶來 200 倍的充電速度提升，量子充電被提出，汽車充電或只需幾秒。

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無論是光伏還是核聚變，人類文明遲早轉向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，這是不可避免的。因此，爲了開發替代能源，人們已經進行了大量的研究，其中大部分利用電力作爲主要的能源載體。

伴隨着可再生能源的廣泛研發，社會也逐漸發生了變化，更多以可再生能源運行的新產品和設備被採用。最近最引人注目的變化是電動汽車的迅速採用。甚至在 10 年前，道路上幾乎看不到電動汽車，而現在每年有數百萬輛電動汽車被售出。電動汽車市場是增長最迅速的行業之一，它也推動埃隆 - 馬斯克成爲世界上最富有的人。

然而，電動汽車的電池存儲技術是必須解決的主要技術瓶頸之一。

儘管電池技術有了巨大的改進，今天，電動汽車的消費者面臨着另一個困難——電池充電速度慢。目前，汽車需要大約 10 個小時才能完全充電，即使是充電站的超級充電器也需要長達 20-40 分鐘才能爲車輛完全充電。這給客戶帶來了額外的成本和不便。

爲了解決這個問題，科學家在神祕的量子物理學領域尋找答案。他們的探索導致發現，量子技術可能以更快的速度爲電池充電。科學家 Alicki 和 Fannes 在 2012 年發表的一篇開創性論文中首次提出了這種 " 量子電池 " 的概念。理論上，量子資源，如糾纏，可以通過以集體方式同時對電池內的所有電池進行充電來大大加快電池的充電過程。

這尤其令人振奮。這種集體充電在傳統電池中是不可能的，因爲在傳統電池中，電池是彼此獨立地平行充電的。這種集體充電與平行充電的優勢可以通過稱爲 " 量子充電優勢 " 的比率來衡量。

後來，大約在 2017 年，人們注意到這種量子優勢背後可能有兩個來源，即 " 全局操作 "（所有的細胞同時與其他所有的細胞交談，即 " 所有的人坐在一張桌子上 "）和 " 全耦合 "（每個細胞可以與其他每個細胞交談，即 " 許多討論，但每個討論只有兩個參與者 "）。然而，目前還不清楚這兩個來源是否是必要的，以及可以實現的充電速度是否有任何限制。

最近，基礎科學研究所（IBS）內的科學家們進一步探索了這些問題。研究論文表明，在量子電池中用全耦合是不合適的，而全局操作的存在是量子領域的優勢。該小組進一步指出了這種優勢的確切來源，同時排除了其他可能性，甚至提供了設計這種電池的明確方法。

此外，該小組還能夠精確地量化在這種方案中可以實現多少充電速度。雖然最大充電速度隨着經典電池中電池數量的增加而線性增長，但研究表明，採用全局操作的量子電池可以實現充電速度的二次擴展。

爲了說明這一點，科學家拿典型的電動汽車爲例，其電池包含約 200 個單元。採用這種量子充電將使充電速度快 200 倍，這意味着在家裏的充電時間將從 10 小時縮短到約 3 分鐘。在高速充電站，充電時間將從 30 分鐘縮短到僅僅幾秒鐘。

研究人員說，量子充電的影響遠遠超出電動汽車和消費電子產品。例如，它可能在未來的聚變電站中找到關鍵用途，因爲聚變電站需要在瞬間充放電的大量能量。當然，量子技術仍然處於起步階段，在這些方法能夠在實踐中實施之前，還有很長的路要走。

然而，像這樣的研究結果創造了一個有希望的方向，可以激勵投資機構和企業進一步投資於這些技術。如果被採用，相信量子電池將徹底改變人們使用能源的方式，並向可持續發展的未來邁進。

該研究論文題爲 "Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations"，已發表在《物理評論快報》期刊上。

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考慮到需求的不斷增長、以及化石燃料的有限性，無論是光伏還是聚變能源，人類文明終將在某個時刻轉向主要依靠可再生能源的未來。目前業界普遍選擇的，是基於電池儲能的`新能源汽車方案。不過最影響此類交通工具普及的，就是續航焦慮和充電等待時間太長。好消息是，在 3 月 21 日發表於《物理評論快報》的一篇文章中，已有研究人員介紹了可讓充電加速 200 倍的新路線。

當前超充成本高不可攀，且仍需 20~40 分鐘才能充滿。

韓國基礎科學研究所（IBS）的研究人員表示：未來量子電池技術有望讓 EV 充電加速 200 倍，家充從 10 小時縮短至 3 分鐘左右、充電站更是可從 30 分鐘縮短至 9 秒！

具體說來是，IBS 科學家們將目光放到了神祕的量子物理學領域。新研究發現，量子技術有望掀開以更快速度爲電池充電的新篇章。

其實早在 2012 年發表的一篇開創性論文中，Alicki 和 Fannes 就已經提出過所謂的‘量子電池’概念。 當前的大容量電動汽車，已經在內部集成了大量的電池。但在經典方案中，每一組電池都是彼此相對獨立地在那充電的。 但若能夠利用糾纏等量子特性，便可讓電池產生集體（併發）行爲、以極大地加速電池的充電過程。

基於此，研究人員提出了所謂的“量子充電優勢”作爲衡量標準。後來到 2017 年的時候，人們開始注意到其背後有兩個可能的來源。

其一是“全局操作”，即所有電芯同時與所有其它電芯溝通（坐在同一張桌子旁），另一種則是 all-to-all 耦合（每個電芯都能夠與另一個溝通，且同時僅限這一對）。

最近，BIS 複雜系統理論物理中心的科學家們，在《Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations》一文中進一步探索了上述問題。

《物理評論快報》（PDF）編輯指出，該論文表明，all-to-all 耦合在量子電池系統中是無關緊要的、全局操作纔是其量子優勢的唯一存在因素。

研究團隊進一步查明瞭這種優勢的確切來源、同時排除了任何其它可能性，甚至提供了一種設計此類電池的明確方法。

此外爲了精確量化該方案能夠實現多快的充電速率，儘管最大充電速度會隨着電池數量而線性增長，但研究表明 —— 採用全局操作的“量子電池”方案，可實現充電速度的“二次縮放”（Quadratic Scaling）。

以某款內置了大約 200 組電池的經典電動汽車爲例，新量子充電方案有望帶來 200 倍的充電速度提升，意味着家充效率可從10 小時銳減至大約 3 分鐘、而高速充電樁更是可從 30 分鐘減少至僅幾秒鐘。

當然，這項技術的理論仍處於早期起步階段，距離實際投入使用還有很長一段路要走。即便如此，它還是有望在覈聚變發電等領域發揮極其深遠的影響，因其需要在產生大量能量的瞬間實現充放電。

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隨着電動車的普及，越來越多的消費者開始爲充電而煩惱。

就當前市面上的電動汽車而言，在家中充電樁充滿電，大約需要 10 個小時。即使是前往專用的快速充電站，最快也需要 20-40 分鐘才能爲一輛車充滿電。顯然，充電的不便，也讓很多潛在消費者望電車止步。

那麼，有沒有新的技術突破，來提高電車充電速度呢？

最近，基礎科學研究所（IBS）複雜系統理論物理中心的科學家們給出了一個全新的技術解決方案——量子充電技術。使用量子充電技術，可將傳統的電動汽車充電過程加速 200 倍，這意味着充電時間將從 10 小時縮短到大約 3 分鐘（在家裏），或在充電站從 30 分鐘縮短到 9 秒。

電動車的火熱與挑戰

無論是光伏還是核能，人類文明遲早都必須轉向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，可再生能源的這一趨勢被認爲是不可避免的。

因此，爲了開發替代能源，科學家們進行了大量研究，其中大部分都是將電力作爲主要能源載體。而隨着可再生能源的廣泛開發，基於可再生能源的新產品和設備也得到了快速發展。最顯著的變化，就是電動汽車的迅速普及。

雖然 10 年前在公路上大家幾乎看不到電動汽車，但現在，每年數百萬輛電動汽車進入千家萬戶。電動汽車市場成爲增長最快的新能源行業之一，馬斯克也成爲了世界上最富有的人之一。

與從碳氫化合物燃料的燃燒中獲取能量的傳統汽車不同，電動汽車依靠電池作爲其能量的存儲介質。但是，長期以來，電池的能量密度遠低於碳氫化合物，這導致早期電動汽車的續航里程非常低。

不過，電池技術的逐步改進，最終使電動汽車的行駛里程與燃油汽車相比處於可接受的水平。毫不誇張地說，電池存儲技術的改進是推動當前電動汽車革命必須解決的主要技術瓶頸之一。

然而，儘管電池技術取得了巨大進步，但如今的電動汽車消費者仍然面臨着另一個難題——電池充電速度緩慢。

量子充電技術

爲了解決這個問題，科學家們開始在神祕的量子物理學領域尋找答案。

研究人員發現，量子技術可能會帶來爲電池以更快速度充電的新機制。這種“量子電池”的概念最早是在 2012 年發表的一篇開創性論文中提出。

理論上，量子資源（quantum resource）可以通過爲電池內部單元集體同時充電的方式進行充電，從而大大加快電池充電過程。這一發現尤其令人興奮。

後來，在 2017 年左右，人們注意到這種量子優勢背後可能有兩個可能的實現途徑——即“global operation”（所有充電單元同時與所有其他單元面對面，即“都坐在一張桌子上”）和all-to-all coupling（每個充電單元都可以相互面對面，即“每個單元只有兩個參與者”）。

但是，尚不清楚這兩種可能是否都是必要的，以及可以達到的充電速度是否有任何限制。

在最新發表的研究中，科學家們進一步探索了這些問題。這篇發表在《物理評論快報》雜誌的論文表明，all-to-all coupling 在量子電池中是無關緊要的，global operation 的存在是量子優勢的唯一因素。

該小組進一步查明瞭這種優勢的確切來源，同時排除了任何其他可能性，甚至提供了一種設計這種電池的明確方法。

此外，該小組精確量化了在該方案中可以實現多快的充電速度。雖然最大充電速度隨着經典電池的電池數量線性增加，但研究表明，採用 global operation 的量子電池可以實現充電速度的指數增加。

圖 | 當前的電動汽車，與基於量子電池技術的未來汽車對比圖示

爲了說明這一點，研究人員假設一個傳統的電動汽車，其電池包含大約 200 個電池單元。使用這種量子充電技術，充電速度將比傳統電池加速 200 倍，這意味着在家充電時間將從 10 小時減少到大約 3 分鐘。而通過快速充電站，充電時間將從 30 分鐘縮短到幾秒鐘。

研究人員表示，這一技術方案的影響可能是深遠的，量子充電的實現，可能遠遠超出電動汽車和消費電子產品領域。例如，它可能會在未來的核能發電廠中找到關鍵用途，因爲這裏需要大量的能量以實現瞬間充電和放電。

當然，量子技術仍處於起步階段，要在實踐中實施這些方法還有很長的路要走。

然而，諸如此類的研究結果開闢了一個有希望的方向，並可以激勵資助機構和企業進一步投資於這些技術。如果實現，相信量子電池將徹底改變我們使用能源的方式，並使我們更接近可持續未來。