原文標題：「強省會·蘭州絕技」系列報道蘭州科學家攻克量子電池兩大難題
安鈞鴻講解量子電池原理
量子電池想像圖
中國甘肅網4月26日訊據蘭州晚報報道（記者何燕實習生劉弘婧受訪者供圖）"未來電池什麼樣？""量子電池！"
儘管「量子電池」這個名詞大多數人還聞所未聞，但科學家已經在探索的路上。蘭州大學物理科學與技術學院安鈞鴻教授及其合作者提出的抗老化遠距離充電量子電池方案，或許成為未來電池變革的關鍵一環。近期，這項研究成果以「Remote charging and degradation suppression for quantum battery（遠端充電與老化抑制量子電池）」為題，發表在物理學期刊《物理評論快報》上，引起了學界和媒體的高度關注。
量子電池或會突破經典電池極限
從1799年義大利物理學家伏特製成世界上第一個電池「伏特電堆」起，過去的200多年間，電池都是將化學能轉化成電能的裝置。
「隨著能源需求日益增長，人們期待具有更小尺寸、更高電容、可更快充電和更大可提取功的電池出現。」安鈞鴻主要從事量子光學、量子資訊及非平衡量子統計動力學研究，問及做量子電池研究的初衷，他告訴記者，希望以量子物理特有的效應，以微觀系統自下而上地像搭積木一樣的製備工藝，來突破目前經典電池的性能極限。量子電池已成為以「調控量子態，實現新功能，發展新技術」為主旨的量子科技的主要應用之一。
同時，電化學反應機制下的電池，過去常有充電過程中起火的事件見諸報端，引發環境問題。 「量子電池不需要訴諸電化學反應，它是透過原子的激發狀態來儲存能量，也即能量儲存在原子中電子的激發態，所以量子電池綠色無污染、可持續使用，非常安全。」（註：原子能量狀態包括基態和激發態。狀態，此時原子的電子躍遷到更高的能階上，與其他原子或分子發生作用會回到基態能階。
先前研究面臨兩大挑戰
「量子電池尚處於基礎研究階段，目前還不能解決產業、產業面臨的問題，還僅是科學前沿研究，為未來的電池提供一種可能的解決方案。」安鈞鴻說。
在安鈞鴻等人提出抗老化、遠距離充電量子電池方案之前，量子電池研究在快速發展，但是距離實現和應用仍面臨兩大挑戰：首先是量子電池的老化。 「量子效應非常脆弱，若受環境影響，量子效應極易喪失。」安鈞鴻解釋說，量子電池能量儲存於原子中電子的激發態，但激發態持續時間極其短暫，背景環境影響之後，會自發向外輻射電磁波。這在量子力學中被稱為量子退相干，會導致量子電池因喪失能量而老化。
其次是量子電池充電效率降低。現在普遍採用量子充電器和量子電池之間的相互作用，將充電器中的能量傳遞給電池來充電。不過，這種相互作用是原子之間的相互作用，作用距離僅為10的-10次方米（即1埃米，等於1/10奈米）的量級，超出這個距離則相互作用變得極為微弱，導致充電效率低。
實現量子電池遠距離「類無線」充電
為了同時克服前述兩大挑戰，安鈞鴻與他在湖北大學、中國科學院精密測量院的合作者們提出了一種新型的量子電池方案。
與普遍採用的方案不同，此方案採用了非接觸式的遠距離「類無線」充電。它是在一個真空的矩形中空金屬波導管（可導引電磁波）中，放入分別作為量子充電器和量子電池的兩個原子。充電時，充電器中處於激發態的電子將「掉」到基態，能量以電磁波形式在波導管中沿垂直面輻射傳遞給量子電池，量子電池吸收之後被「充電」到激發態。
這個過程突破了微觀系統相互作用的空間尺度，量子充電器和量子電池的間距從10的-10次方米甚至能擴大到10的-2次方米的厘米級，還可產生有效的能量轉移。這是一個了不起的突破！比之之前，已經是很大的宏觀距離。 「好比在彈床上的兩個小孩兒，一個跳，另一個也會彈起，這不奇怪；奇怪的是，現在是將他們放入大海中，還會發生這樣持續的關聯。"
過去普遍認為，透過環境這個第三媒介，量子充電器和量子電池之間不可能產生能量交換，只會發生量子退相干。而安鈞鴻他們的研究恰恰證明，利用波導管中的真空電磁場誘導的量子退相干，恰恰可以實現免受老化影響的持續能量交換，實現了近理想的充電。
透過這個方案，有效地解決了量子電池的能量耗散和距離限制兩大問題，為進而推動量子電池的物理實現提供了理論支撐。也是團隊繼2021年利用波導製備作為量子精密測量重要資源的自旋壓縮後的另一個重要結果。
引發國外媒體關注
安鈞鴻他們的這項研究工作是自2023年春節期間開始的，去年8月論文送審期間，已受到國外媒體的關注。英國科技新聞雜誌《新科學家》在去年9月就進行了通報。今年2月論文發表後，《自然》雜誌作「亮點研究」報道。其後，國際科技新聞入口網站「世界科技研究新聞資訊網（Phys.org）」和美國相關知名技術和創新媒體，也相繼對此項工作進行了較為詳盡的報道。國外媒體的關注出乎安鈞鴻及其合作者的預料。
為什麼這項研究會這麼「吸睛」？安鈞鴻認為是當今出現的量子電池熱。世界範圍內處於量子科技的快速發展時期，此前人們的關注點更多的是在信息，例如量子計算機和量子通訊。而現在，更多的關注點是在能量上，期待以量子效應產生一些變革性的儲能供能新技術。另外一點就是「類無線」充電，「我們的研究剛好滿足了人們對無線充電的期待，既讓能量在波導管中定向傳遞，提高了量子電池的效率；又不會造成電磁輻射，綠色環保。我和我的合作者們開玩笑說，我們的工作是做到外國人的'心縫縫'裡去了。
量子科技將引領新一輪科技革命與產業變革
「當然，沒有任何一個電池是由一個原子組成的，要將其變成一個裝置，仍需解決大量原子的整合問題。這就是我們下一步的工作。」安鈞鴻表示，從「0」到「1」難，這是從無到有；而從「1」到"100"，至少已經有了基礎原理，相對實現起來容易一些。
"我們設想過很多方案實現集成，其中一種是在導波裝置中，將量子電池像串糖葫蘆一樣串起來。"
「量子科技現在已經上升為國家戰略。國家為什麼這麼重視？我想，是在謀長遠。過去被'卡脖子'，將來怎麼能還被'卡'？」安鈞鴻說，以量子通訊、量子計算、量子精密測量、量子模擬和量子材料為核心的量子科技可以在保障資訊安全、提高運算速度、提升測量精度等方面超越經典技術的性能極限，成為資訊、能源、安全和材料等領域重大技術突破的創新泉源。它將對傳統科技體系進行重構，引領新一輪科技革命與產業變革。
蘭州日報社全媒體記者何燕實習生劉弘婧受訪者供圖
（本文係由市科技局支持、《蘭州晚報》開設的「創新領航」專欄第64期。）
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