量子电池：科学家利用充电来平衡功率与稳定能量输出

研究表明，仅凭功率不足以判断量子电池的表现。

来自世界各地的研究人员合作，确定了量子电池可靠性的基本极限，并找到了一种利用充电来平衡高功率与稳定能量输出的方法。

这可能有助于在不久的将来开发出实用的量子储能设备。

量子电池是储能领域的下一个前沿，利用量子力学来充电、储存和释放能量。

随着计算和传感等量子技术的快速发展，研究人员也在寻找化学电池之外的途径来为其供电。

量子电池可以利用叠加态将能量储存在多个状态中，或通过集体充电来加速充电。

量子电池设计还可能意味着更大的电池能够比传统化学电池充电更快，使其在更大规模的应用中更受青睐。

构建量子电池

迄今为止，科学家只构建了概念验证型的量子电池。

这些电池仅能将能量保持几纳秒到几微秒，目前尚无实际用途，但扩大该技术的规模可能会解决许多与储能相关的问题。

此前的大部分研究集中在量子电池的充电速度以及能实现多大功率上。

然而，在最近发表的一项研究中，一个国际物理学家团队确立了量子电池所输出能量的波动及其输出速率的基本极限。

“量子电池在量子信息、热力学和多体物理之间提供了引人入胜的联系。

如果这些系统最终要成为有用的技术资源，理解其波动至关重要，”参与该研究的西班牙光子科学研究所（ICFO）理论物理学家马切伊·莱文斯坦表示。

研究人员发现了什么？

在这项工作中，研究人员发现，著名的量子力学不确定性关系阻止了能量输出与稳定功率的同时实现。

该原理指出，某些成对的物理属性无法同时被完全精确地知晓，这表明能量输出和功率的波动无法同时被降至很低。

这是因为在量子电池中，功和功率由非对易算符表示，就像量子力学中的位置和动量一样。

研究人员进一步研究了这种权衡如何取决于量子电池的充电方式。

当并行充电时，量子电池单元独立运作。

然而，当它们集体充电时，则作为一个整体运作。

第三种方法称为混合充电，介于两者之间，电池单元组在充电过程中发生相互作用。

集体充电提高了输出功率，但也增加了波动，降低了功率可靠性。

这表明仅凭功率不足以判断量子电池的表现。

“我们的结果表明，存在一种有意义的方式来平衡功率提升与功和功率的可靠性，”芬兰VTT技术研究中心的高级科学家坦莫伊·潘迪特在一份新闻稿中解释道。

“基于中等范围相互作用的充电方案可以在高功率和稳定运行之间提供有用的折中。

”

该团队接下来将在更现实的条件下研究可靠性极限，包括噪声、耗散以及与实验相关的量子系统。

该团队将研究成果发表在《PRX Quantum》上。

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