環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

Discovery Alert

撰文 | Shushu

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1920篇原創(chuàng)

如果有一天，手機(jī)、電動(dòng)車可以在一秒內(nèi)完成充電，聽起來(lái)像科幻。但現(xiàn)在，量子電池正在讓這件事變得有可能。

澳大利亞科學(xué)家日前開發(fā)了全球首款量子電池原型。這款電池讓一個(gè)反常識(shí)的物理定律變成現(xiàn)實(shí)：電池越大，充電反而越快！

量子電池這一概念最早在2013年被提出。傳統(tǒng)鋰電池通過化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)能量，量子電池則基于量子力學(xué)原理，在量子系統(tǒng)中按需傳遞、存儲(chǔ)和釋放能量。

如今，澳大利亞國(guó)家科學(xué)機(jī)構(gòu)CSIRO Quach團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出第一個(gè)能夠完成完整電池循環(huán)的原型裝置。它可以通過激光進(jìn)行無(wú)線充電，科學(xué)家們認(rèn)為這是邁向具備超快充電能力、真正可用的量子電池的重要一步。

在傳統(tǒng)鋰電池中，體積越大，充電時(shí)間越長(zhǎng)。打個(gè)比方，鋰電池就像用一堆小推車去運(yùn)貨，車越多（電池越大），要把所有車裝滿貨的時(shí)間就越長(zhǎng)（充電時(shí)間越長(zhǎng)）。這也是為什么手機(jī)大約需要30分鐘充滿，而電動(dòng)車往往需要一整晚。

相比之下，量子電池具有一個(gè)非常奇特的特性，叫做“集體效應(yīng)”。當(dāng)量子電池由更多單元組成時(shí)，它的充電速度會(huì)隨著單元數(shù)量N的增加而提升，其充電時(shí)間可以縮短至與 1/N 或 1/√N(yùn) 成比例的量級(jí)。

這意味著量子電池越大，充電所需時(shí)間就越短。如果電池容量翻倍，充電時(shí)間將縮短一半多一點(diǎn)。

圖說(shuō)：微型量子電池

來(lái)源：CSIRO

Quach團(tuán)隊(duì)早在2022年就已經(jīng)證明了這一特性，但當(dāng)時(shí)的原型無(wú)法釋放能量，不能完成整個(gè)電池循環(huán)。

而這次發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊上的新原型實(shí)現(xiàn)了這一突破，其充電時(shí)間達(dá)到飛秒級(jí)（10?1?秒），儲(chǔ)能時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)（10??秒），相比之前提升了六個(gè)數(shù)量級(jí)。

不過目前該原型電池的容量仍然非常小，僅為幾十億電子伏特，還不足以為任何實(shí)際設(shè)備供電。研究人員表示，下一步的目標(biāo)是延長(zhǎng)儲(chǔ)能時(shí)間。

昆士蘭大學(xué)量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人安德魯·懷特評(píng)價(jià)稱，這是一項(xiàng)非常出色的工作，證明量子電池已經(jīng)不再只是概念，而是一個(gè)真實(shí)的原型。未來(lái)如果量子電池發(fā)展成熟并實(shí)現(xiàn)幾乎瞬時(shí)充電，它們可能會(huì)帶來(lái)新的應(yīng)用場(chǎng)景，人們不再需要前往加油站或充電站，可以在移動(dòng)中完成充電。例如在飛行中為無(wú)人機(jī)充電，或者在行駛過程中為汽車補(bǔ)能。

法國(guó)前沿科學(xué)洞察網(wǎng)曾指出，量子電池可以作為小型離網(wǎng)能源，也可為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。同時(shí)，由于充電和存儲(chǔ)功能集成在一個(gè)系統(tǒng)中，更易于集成和使用。

值得一提的是，去年特斯拉公布了其量子電池技術(shù)，稱該技術(shù)將使特斯拉新款電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力突破2000公里并且還支持“閃充”功能，只需要15分鐘即可充滿80%的電量。

馬斯克稱量子電池技術(shù)突破了鋰離子電池的物理限制，通過結(jié)合量子隧穿效應(yīng)和超級(jí)電容技術(shù)，將電池能量密度提高近8倍。

美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)獨(dú)立測(cè)試顯示，搭載量子電池的特斯拉Model S在綜合工況下，續(xù)航里程可達(dá)1980公里，較目前市面上的電動(dòng)汽車提升近3倍。

不過相比于這些場(chǎng)景，更值得關(guān)注的是，量子電池在量子計(jì)算機(jī)上面的應(yīng)用，因?yàn)榱孔与姵乜梢砸韵喔煞绞教峁┠芰?，并以更低的能耗支持?jì)算系統(tǒng)運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)通常需要房間大小、耗能巨大的低溫冷卻系統(tǒng)，以及室溫電子設(shè)備系統(tǒng)。這些基礎(chǔ)設(shè)施和能源需求是擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)規(guī)模的最大障礙，限制了量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模和處理能力，并減緩了量子計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)化進(jìn)程。

研究團(tuán)隊(duì)通過量子電池為量子計(jì)算機(jī)供電，將其作為計(jì)算機(jī)的“內(nèi)部油箱”。這一創(chuàng)新架構(gòu)不僅有望使量子計(jì)算機(jī)的量子比特容量翻4倍，還能顯著降低對(duì)龐大能源基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的量子電池就可以回收系統(tǒng)中的能量。

圖說(shuō)：用量子電池為量子計(jì)算供能

來(lái)源：thequantuminsider

另外，這項(xiàng)研究還揭示了一種被稱為“量子超擴(kuò)展性”的現(xiàn)象，即量子比特的數(shù)量越多，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度就越快。這一特性表明，量子電池架構(gòu)不僅能提升容量，還能有效提高計(jì)算速度。

研究團(tuán)隊(duì)指出，這項(xiàng)研究是探索“量子能源”領(lǐng)域的重要一步，可能會(huì)從根本上重塑我們構(gòu)建高效、可持續(xù)能源系統(tǒng)的方式。

現(xiàn)在，從全球來(lái)看，量子電池的研究還在開展中，科學(xué)界普遍認(rèn)為，針對(duì)量子電池研發(fā)，找到恰到好處的能量水平并能夠簡(jiǎn)單可靠進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和釋放是關(guān)鍵，因?yàn)槲镔|(zhì)在量子物理學(xué)中的行為常常出人意料且難以預(yù)測(cè)。

麻省理工學(xué)院能源研究所教授羅伯特·湯普森表示：“量子效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下表現(xiàn)良好，但在真實(shí)世界中仍然面臨穩(wěn)定性問題。極端溫度、震動(dòng)等因素都可能影響量子態(tài)的維持?！?/p>

[1]https://www.theguardian.com/science/2026/mar/18/world-first-quantum-battery-australian-scientists-say

[2]https://thequantuminsider.com/2026/01/30/quantum-batteries-power-quantum-computers/

[3]量子客：量子電池革新量子計(jì)算：算力有望翻四倍，告別龐大冷卻系統(tǒng)

[4]中國(guó)能源報(bào)：這一研發(fā)提速，儲(chǔ)能版圖將重塑？

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