【“强省会·兰州绝技”系列报道】兰州科学家攻克量子电池两大难题

“强省会·兰州绝技”系列报道

兰州科学家攻克量子电池两大难题

安钧鸿讲解量子电池原理

量子电池想象图

　　“未来电池什么样？”“量子电池！”

　　尽管“量子电池”这一名词大多数人还闻所未闻，但科学家们已经在探索的路上。兰州大学物理科学与技术学院安钧鸿教授及其合作者提出的抗老化远距离充电量子电池方案，或许会成为未来电池变革的关键一环。近期，这一研究成果以“Remote charging and degradation suppression for quantum battery（远程充电与老化抑制量子电池）”为题，发表在物理学期刊《物理评论快报》上，引起了学界和媒体的高度关注。

　　量子电池或会突破经典电池极限

　　从1799年意大利物理学家伏特制成世界上第一个电池“伏特电堆”起，过去的200多年间，电池都是将化学能转化成电能的装置。

　　“随着能源需求日益增长，人们期待具有更小尺寸、更高电容、可更快充电和更大可提取功的电池出现。”安钧鸿主要从事量子光学、量子信息及非平衡量子统计动力学研究，问及做量子电池研究的初衷，他告诉记者，希望以量子物理特有的效应，以微观系统自下而上的像搭积木一样的制备工艺，来突破目前经典电池的性能极限。量子电池已成为以“调控量子态，实现新功能，发展新技术”为主旨的量子科技的主要应用之一。

　　与此同时，电化学反应机制下的电池，过去常有充电过程中起火的事件见诸报端，从而引发环境问题。“量子电池不需要诉诸电化学反应，它是通过原子的激发状态来储存能量，也即能量存储在原子中电子的激发态，所以量子电池绿色无污染、可持续使用，非常安全。”（注：原子能量状态包括基态和激发态。基态是指原子处于最低能量状态，此时原子的电子处于基态能级上，原子没有吸收任何能量；而激发态则是指当原子吸收能量而达到的状态，此时原子的电子跃迁到更高的能级上，与其他原子或分子发生作用会返回基态能级。）

　　此前研究面临两大挑战

　　“量子电池尚处于基础研究阶段，目前还不能解决行业、产业面临的问题，还仅是科学前沿研究，为未来的电池提供一种可能的解决办法。”安钧鸿说。

　　在安钧鸿等人提出抗老化、远距离充电量子电池方案之前，量子电池研究在快速发展，但是距离实现和应用仍面临两大挑战：首先是量子电池的老化。“量子效应非常脆弱，若受环境影响，量子效应极易丧失。”安钧鸿解释说，量子电池能量储存于原子中电子的激发态，但激发态持续时间极其短暂，背景环境影响之后，会自发向外辐射电磁波。这在量子力学中被叫作量子退相干，会导致量子电池因丧失能量而老化。

　　其次是量子电池充电效率降低。现在普遍采用量子充电器和量子电池之间的相互作用，将充电器中的能量传递给电池来充电。不过，这种相互作用是原子之间的相互作用，作用距离仅为10的-10次方米（即1埃米，等于1/10纳米）的量级，超出这个距离则相互作用变得极其微弱，导致充电效率低下。

　　实现量子电池远距离“类无线”充电

　　为了同时克服前述两大挑战，安钧鸿与他在湖北大学、中国科学院精密测量院的合作者们提出了一种新型的量子电池方案。

　　与普遍采用的方案不同，此方案采用了一种非接触式的远距离“类无线”充电。它是在一个真空的矩形中空金属波导管（可导引电磁波）中，放入分别作为量子充电器和量子电池的两个原子。充电时，充电器中处于激发态的电子将“掉”到基态，能量以电磁波形式在波导管中沿垂直面辐射传递给量子电池，量子电池吸收之后被“充”到激发态。

　　这一过程突破了微观系统相互作用的空间尺度，量子充电器和量子电池的间距从10的-10次方米甚至能扩大到10的-2次方米的厘米级，还可产生有效的能量转移。这是了不起的突破！比之之前，已经是很大的宏观距离。“好比在弹床上的两个小孩儿，一个跳，另一个也会弹起，这不奇怪；奇怪的是，现在是将他们放入大海中，还会发生这样持续的关联。”

　　过去普遍认为，通过环境这一第三媒介，量子充电器和量子电池之间不可能产生能量交换，只会发生量子退相干。而安钧鸿他们的研究恰恰证明，利用波导管中的真空电磁场诱导的量子退相干，恰恰可以实现免受老化影响的持续能量交换，实现了近理想的充电。

　　通过这一方案，有效地解决了量子电池的能量耗散和距离限制两大问题，为进而推动量子电池的物理实现提供了理论支撑。也是该团队继2021年利用波导制备作为量子精密测量重要资源的自旋压缩后的又一重要结果。

　　引发国外媒体关注

　　安钧鸿他们的这项研究工作是自2023年春节期间开始的，去年8月论文送审期间，已受到国外媒体的关注。英国科技新闻杂志《新科学家》在去年9月就进行了报道。当今年2月论文发表后，《自然》杂志作“亮点研究”报道。其后，国际科技新闻门户网站“世界科技研究新闻信息网（Phys.org）”和美国相关知名技术和创新媒体，也相继对此项工作进行了较为详尽的报道。国外媒体的关注出乎安钧鸿及其合作者的预料。

　　为什么这项研究会这么“吸睛”？安钧鸿认为是当今出现的量子电池热。世界范围内处于量子科技的快速发展时期，此前人们的关注点更多的是在信息，比如量子计算机和量子通讯。而现在，更多的关注点是在能量上，期待以量子效应产生一些变革性的储能供能新技术。另外一点就是“类无线”充电，“我们的研究刚好满足了人们对无线充电的期待，既让能量在波导管中定向传递，提高了量子电池的效率；又不会造成电磁辐射，绿色环保。我和我的合作者们开玩笑说，我们的工作是做到外国人的‘心缝缝’里去了。”

　　量子科技将引领新一轮科技革命和产业变革

　　“当然，没有任何一个电池是由一个原子组成的，要将其变成一个器件，仍需解决大量原子的集成问题。这就是我们下一步的工作。”安钧鸿表示，从“0”到“1”难，这是从无到有；而从“1”到“100”，至少已经有了基础原理，相对实现起来容易一些。

　　“我们设想过很多方案实现集成，其中一种是在导波装置中，将量子电池像串糖葫芦一样串起来。”

　　“量子科技现在已经上升为国家战略。国家为什么这么重视？我想，是在谋长远。过去被‘卡脖子’，将来怎么能还被‘卡’？”安钧鸿说，以量子通讯、量子计算、量子精密测量、量子模拟和量子材料为核心的量子科技可以在保障信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面超越经典技术的性能极限，成为信息、能源、安全和材料等领域重大技术突破的创新源泉。它将对传统技术体系进行重构，引领新一轮科技革命和产业变革。

　　兰州日报社全媒体记者 何燕 实习生 刘弘婧 受访者供图