充電似加油:BIS科學家指出“全局操作”是實現未來量子充電優勢的關鍵

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。

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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秘的量子物理學領域。新研究發現,量子技術有望掀開以更快速度為電池充電的新篇章。

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)行為、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”作為衡量標準。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)。

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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、全局操作才是其量子優勢的唯一存在因素。

研究團隊進一步查明了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。

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此外為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為例,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,它還是有望在核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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