利用量子現象獲取、分配和儲存能量的電池有望在某些低功率應用中超越傳統化學電池的能力和用途。包括東京大學在內的研究人員首次利用一種無視傳統因果關係概念的非直觀量子過程來提高所謂量子電池的性能，使這項未來技術離現實更近了一步。

可持續能源中的量子電池

當你聽到”量子”這個詞，也就是亞原子世界的物理學時，量子電腦的發展往往會成為頭條新聞，但還有其他即將出現的量子技術值得關注。量子電池就是其中之一，雖然它的名字起初令人費解，但它在可持續能源解決方案和未來電動車的可能整合方面具有尚未開發的潛力。不過，這些新設備預計在各種便攜式和低功耗應用中找到用武之地，尤其是在充電機會稀少的情況下。

在經典世界中，如果嘗試使用兩個充電器為電池充電，則必須依序進行，從而將可用選項限制在兩個可能的順序中。然而，利用被稱為ICO 的新型量子效應，就有可能以一種與眾不同的非常規方式為量子電池充電。在這裡，以不同順序排列的多個充電器可以同時存在，形成量子疊加。圖片來源：©2023 Chen et al.

量子電池的研究進展

目前，量子電池只存在於實驗室實驗中，世界各地的研究人員正致力於不同方面的研究，希望有朝一日能將其結合成功能齊全的實際應用。東京大學資訊與通訊工程系的研究生陳遠博和副教授長谷川義彥正在研究量子電池充電的最佳方法，而這正是時間發揮作用的地方。量子電池的優點之一是效率極高，但這取決於充電方式。

陳說：”目前用於智慧型手機或感測器等低功耗設備的電池通常使用鋰等化學物質來儲存電荷，而量子電池則使用原子陣列等微觀粒子。化學電池受經典物理定律的支配，而微觀粒子則是量子性質的，因此我們有機會探索使用微觀粒子的方法，從而彎曲甚至打破我們對小尺度發生的事情的直觀概念。我對量子粒子如何違反我們最基本的經驗之一- 時間- 特別感興趣”。

雖然量子電池比家中的AA 電池大了不少，但作為量子電池的實驗裝置展示了充電特性，有朝一日可能會改進智慧型手機中的電池。圖片來源：©2023 Zhu 等人

量子充電方法

研究小組與北京計算科學研究中心的朱高燕研究員和薛鵬教授合作，利用雷射、透鏡和鏡子等光學儀器對量子電池進行了充電實驗，但他們實現這種充電的方法需要一種量子效應，即事件之間不像日常事物那樣有因果連結。早期為量子電池充電的方法涉及一系列一個接一個的充電階段。然而，在這裡，研究小組使用了一種新的量子效應，他們稱之為不定因果順序（ICO）。在經典領域，因果關係遵循明確的路徑，這意味著如果事件A 導致事件B，那麼就排除了B 導致A 的可能性。然而，在量子尺度上，ICO 允許兩個方向的因果關係同時存在，這就是所謂的量子疊加，兩個方向的因果關係可以同時成立。

一般的直觉认为，充电器功率越大，电池的电量就越强。然而，源于 ICO 的发现使这种关系发生了显著的逆转；现在，用更少的功率为能量更强的电池充电成为可能。图片来源：©2023 Chen 等人

量子電池研究的意義

陳說：”透過ICO，我們證明了量子粒子組成的電池的充電方式會極大地影響其性能。我們看到系統中儲存的能量和熱效率都有了巨大的提高。而且有點反直覺的是，我們發現了一種與預期相反的相互作用所產生的驚人效果： 在使用相同設備的情況下，功率較低的充電器比功率較高的充電器能提供更高的能量和更高的效率。”

該研究小組探索的ICO 現象可能會在為新一代低功耗設備充電之外找到其他用途。其基本原理，包括這裡發現的反向相互作用效應，可以改善其他涉及熱力學的任務或涉及熱量傳遞的過程的性能。一個很有前景的例子是太陽能板，熱效應會降低其效率，但ICO 可用於減輕這些影響，從而提高效率。

編譯來源：ScitechDaily