遠程無線充電技術(shù)與抗衰老量子電池新進展

不同于傳統(tǒng)電池的電化學(xué)反應(yīng)，量子電池通過微觀系統(tǒng)的量子能級存儲能量，是一種綠色、安全、無污染的可持續(xù)儲供能裝置，有望成為替代當(dāng)今廣泛使用的電池的新一代儲能器件。

量子電池背景介紹

人們對能源需求的持續(xù)增長與環(huán)境問題的日益關(guān)注激發(fā)了對變革性儲供能裝置的研究興趣。傳統(tǒng)電池主要基于電化學(xué)原理，在過去幾十年里，小型化的電池成了推動電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的內(nèi)在驅(qū)動，新能源汽車的快速發(fā)展也對大功率電池提出了新要求。雖然研發(fā)先進材料、優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備性能可解燃眉之急，但突破固有原理、設(shè)計全新設(shè)備架構(gòu)才是長久之計。人們期待通過微觀系統(tǒng)中以糾纏為代表的量子特性與自下而上的全新原子制造工藝，形成更小尺寸、更強充電功率、更高容量和更大可提取功的新原理儲供能裝置——量子電池［1］。它的前瞻性研究預(yù)示了其對推動未來能源類型轉(zhuǎn)變和應(yīng)對能源挑戰(zhàn)的巨大潛力［2］。 作為熱力學(xué)器件，量子電池是以“調(diào)控量子態(tài)，實現(xiàn)新功能，發(fā)展新技術(shù)”為主旨的量子科技的主要應(yīng)用之一。量子熱力學(xué)為新的產(chǎn)業(yè)革命提供原始創(chuàng)新驅(qū)動力，是量子科技的重要組成部分。建立在經(jīng)典熱力學(xué)基礎(chǔ)上的蒸汽機的發(fā)明催生了第一次產(chǎn)業(yè)革命，基于此的熱機架構(gòu)和效率仍然支配著當(dāng)今的能源使用格局。進入21世紀，量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展迫使人們將熱力學(xué)擴展到量子領(lǐng)域，催生了量子熱力學(xué)。其基礎(chǔ)意義在于從量子力學(xué)角度重塑熱力學(xué)，并利用量子物理基本概念審視熱力學(xué)的先驗假定；它的現(xiàn)實意義在于其發(fā)展的器件有望獲益于量子效應(yīng)而超越經(jīng)典熱力學(xué)所設(shè)置的熱機性能極限，從本質(zhì)上突破當(dāng)今的能源使用效率。研究發(fā)現(xiàn)，利用量子相干性，量子熱機可從單一熱源提取功，從而超越了熱力學(xué)第二定律的限制；利用量子壓縮或糾纏，量子熱機可超越經(jīng)典卡諾效率；利用量子糾纏，量子電池可超越經(jīng)典電池，獲得更快充電、更高電容和更大可提取功［3］。

量子電池的充電過程

量子電池包括充電、存儲和放電三個過程。充電過程既可由經(jīng)典場給量子電池提供能量來實現(xiàn)，也可由另一量子系統(tǒng)作為充電器，與量子電池相干耦合進行能量轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)［4，5］。充電功率指單位時間內(nèi)充入的能量，是衡量量子電池性能的重要指標。研究發(fā)現(xiàn)，由N個二能級原子構(gòu)成的量子電池，得益于量子糾纏，其充電功率與N的標度關(guān)系為P∝N3/2，而現(xiàn)行電池功率與電池芯片個數(shù)僅呈線性關(guān)系，說明量子電池充電功率是現(xiàn)行電池的倍［3］。另一個重要性能指標是壽命，即量子電池中的能量可維持的最長時間。 然而，量子系統(tǒng)自身所面臨的脆弱性使得量子電池的實現(xiàn)面臨兩大挑戰(zhàn)。一方面，量子電池會不可避免地與外界環(huán)境耦合，從而引起量子相干性丟失，即退相干，它導(dǎo)致量子電池的自發(fā)放電，即量子電池的老化。文獻［4］中利用光學(xué)微腔對由半導(dǎo)體有機分子形成的量子電池進行快速充電，但是退相干使得其能量不能長時間存儲。另一方面，在充電過程中，微觀系統(tǒng)間的耦合強度會隨距離增大而快速衰減，這使得量子電池與充電器之間的距離要非常小，才可有效轉(zhuǎn)移能量；同時這種訴諸于量子電池—充電器相干耦合的充電方式也不可避免地受到退相干影響而失效。總之，退相干是實現(xiàn)量子電池的主要障礙。因此，尋求更魯棒的可集成量子物態(tài)、更穩(wěn)定的量子調(diào)控手段和更抗退相干的新原理器件方案，為量子電池所需的架構(gòu)提供支持是本領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。

新型充電方案

為了解決噪聲中等規(guī)模量子時代（noisy intermediate-scale quantum era）退相干造成的問題，人們提出了量子互聯(lián)方案，期待通過將局域量子系統(tǒng)互聯(lián)而形成更魯棒的可集成量子物態(tài)和更抗退相干的新原理器件［6］。近年來迅猛發(fā)展的波導(dǎo)量子電動力學(xué)為量子互聯(lián)提供了理想平臺［7，8］。 受此啟發(fā)，我研究人員提出了一種基于一維波導(dǎo)共同環(huán)境誘導(dǎo)的遠距離充電和退相干抑制的新型量子電池方案［9］，如圖1所示，兩個二能級系統(tǒng)分別作為充電器和量子電池，被放置在一個矩形金屬波導(dǎo)中。充電器與量子電池的間距遠大于其偶極—偶極相互作用的距離，因此二者無法實現(xiàn)直接的能量轉(zhuǎn)移。波導(dǎo)中的電磁場作為充電器和量子電池的共同環(huán)境，與二者耦合形成復(fù)合系統(tǒng)。如圖2所示，復(fù)合系統(tǒng)的能譜顯示，連續(xù)能帶外會形成不同個數(shù)的孤立能級，稱作束縛態(tài)，其對充電帶來截然不同的結(jié)果：當(dāng)無束縛態(tài)時，量子電池的能量快速耗散到環(huán)境中，從而發(fā)生老化；當(dāng)形成一個束縛態(tài)時，量子電池的能量會趨于有限值，此時雖然實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)移，但并未完全達到持續(xù)充電；當(dāng)形成兩個束縛態(tài)時，量子電池能量持續(xù)振蕩，且最大儲能不會發(fā)生自發(fā)損耗，從而實現(xiàn)了抗老化的理想充電。

圖1 量子電池方案示意圖：在矩形中空金屬波導(dǎo)管中放置兩個無直接耦合的二能級系統(tǒng)，分別作為充電器和量子電池

圖2 量子電池不同頻率ω0下復(fù)合系統(tǒng)的能譜E （紫色點線）與量子電池能量 ε（t ）隨時間的演化圖。其中，綠色點虛線、藍色實線、紅色虛線分別對應(yīng)兩個、一個和零個束縛態(tài)時的量子電池充電能量演化，ω11為波導(dǎo)管截止頻率。綠色點虛線對應(yīng)兩個束縛態(tài)時的理想充電結(jié)果。 在傳統(tǒng)量子電池方案中，僅當(dāng)充電器與量子電池的距離足夠近且無退相干時，才可通過直接耦合實現(xiàn)持續(xù)的無損充電。而在實際情況下，充電器與量子電池之間的耦合強度會隨著距離的增大而快速衰減，退相干也破壞直接耦合，迫使理想的充電根本無法實現(xiàn)。研究人員利用波導(dǎo)管中的電磁場這一共同環(huán)境誘導(dǎo)的退相干，實現(xiàn)了充電器與電池間免受老化影響的持續(xù)能量交換，在退相干條件下達到了理想充電的目標，在理論上實現(xiàn)了量子電池非接觸式遠距離“類無線”充電，也證實了退相干在建立電池—充電器間相干互聯(lián)中的建設(shè)性作用，有效地解決了量子電池的能量耗散問題和距離限制問題，對于進一步推動量子電池的物理實現(xiàn)具有重要理論指導(dǎo)意義。

未來展望

量子電池通過將電磁波能量轉(zhuǎn)化為原子的內(nèi)部激發(fā)態(tài)能量來實現(xiàn)儲能，因此可以預(yù)見，它一旦實現(xiàn)，因糾纏賦予其的超大充電功率將可以極大地提升光伏中的光電轉(zhuǎn)換效率。另一方面，量子電池將能量存儲在原子這一物質(zhì)世界最小的組成單元中，因此其存儲的能量密度比現(xiàn)行電池將有潛在的顛覆性的提高，該特征亦有望對光伏的存儲容量帶來變革性提升。另一方面，量子電池的發(fā)展趨勢也符合當(dāng)今電子產(chǎn)品對儲供能設(shè)備小型化與長續(xù)航的要求。量子電池的超大充電功率和儲能密度也將對這些電子產(chǎn)品的儲供能設(shè)備帶來新的契機。但是，量子電池仍然處于基礎(chǔ)理論研究階段，除了退相干，集成性也是一個需要克服的挑戰(zhàn)。