在宏觀世界中，電池的大小與充電時(shí)間成正比。然而，在微觀量子力學(xué)的疆域里，物理法則卻會(huì)發(fā)生令人驚嘆的逆轉(zhuǎn)：電池越大，充電反而更快了。

3 月 18 日，由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）、墨爾本皇家理工大學(xué)（RMIT）以及墨爾本大學(xué)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功研發(fā)并演示了世界上首個(gè)能夠完成“充-存-放”全周期循環(huán)的量子電池原型。這一突破不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)能量存儲(chǔ)的直覺(jué)認(rèn)知，更標(biāo)志著量子超吸效應(yīng)正式從理論走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室原型。相關(guān)研究已發(fā)表于《自然》旗下的《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）。

圖 | 全球首個(gè)完全功能概念驗(yàn)證量子電池（來(lái)源：CSRIO）

范式轉(zhuǎn)移：從化學(xué)反應(yīng)到量子力學(xué)

自 2013 年量子電池作為理論概念被首次提出以來(lái)，科學(xué)界一直寄希望于利用量子力學(xué)的獨(dú)特性質(zhì)來(lái)重塑能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。

與依賴電化學(xué)反應(yīng)的傳統(tǒng)鋰離子電池不同，量子電池的運(yùn)行邏輯建立在量子疊加、糾纏及“集體效應(yīng)”（Collective Effects）之上。其理論根源可追溯至物理學(xué)家羅伯特·迪克（Robert Dicke）提出的“超輻射”（Superradiance）概念。

傳統(tǒng)的化學(xué)電池充電時(shí)，每個(gè)活性單元（如鋰離子）是獨(dú)立進(jìn)行反應(yīng)的，電荷的存儲(chǔ)是一個(gè)準(zhǔn)線性的過(guò)程。隨著規(guī)模（電池單元數(shù)量）的增大，由于內(nèi)阻和熱效應(yīng)，其充電時(shí)間往往會(huì)隨之增加。這也是為什么手機(jī)充電需要 30 分鐘，而電動(dòng)汽車(chē)通常需要數(shù)小時(shí)甚至一夜。

量子電池則利用了“超吸收”現(xiàn)象，這是超輻射的逆過(guò)程。當(dāng)大量量子比特（或分子激子）處于糾纏態(tài)或相干疊加態(tài)時(shí)，它們會(huì)作為一個(gè)整體與電磁場(chǎng)耦合，允許所有單元通過(guò)量子相干性同時(shí)吸取能量。根據(jù)迪克模型，這種相干耦合會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換速率隨單元數(shù)量非線性增長(zhǎng)。在理想的量子電池中，充電功率與單元數(shù)量的平方成正比，傳統(tǒng)電池僅與單元數(shù)量本身成正比。

隨著量子電池規(guī)模的擴(kuò)大，量子電池會(huì)展現(xiàn)出一種完全相反且“違背直覺(jué)”的特性：規(guī)模越大，充電反而越快。這一原理在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證：隨著量子電池規(guī)模的擴(kuò)大，充電功率呈非線性增長(zhǎng)。一個(gè)大型量子電池陣列的充電速度將遠(yuǎn)超其組成單元的簡(jiǎn)單疊加，理論上可以實(shí)現(xiàn)“瞬時(shí)充電”。

結(jié)構(gòu)解析：有機(jī)微腔與激光補(bǔ)能

早在 2022 年，量子電池研究負(fù)責(zé)人詹姆斯·夸奇（James Quach）博士就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表研究，首次證明了量子電池的充電速度。但當(dāng)時(shí)的設(shè)備僅能展示充電過(guò)程，能量一旦捕獲就會(huì)迅速衰減，且無(wú)法按需釋放。

為突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)能量的“充電-存儲(chǔ)-放電”全循環(huán)，研究人員設(shè)計(jì)了一種具有多層結(jié)構(gòu)的有機(jī)微腔（Organic Microcavity）。電池內(nèi)部包含特定的光活性材料：摻雜在聚乙烯醇（PVA）基質(zhì)中的半導(dǎo)體有機(jī)染料分子，這些分子具有極高的振子強(qiáng)度。

圖 | CSIRO 原型量子電池工程的清潔實(shí)驗(yàn)室（來(lái)源：CSIRO）

活性材料層被夾在兩層分布式布拉格反射鏡（DBR）之間。這兩個(gè)高反射率鏡面形成了一個(gè)光學(xué)微腔，將光子限制在極小的空間內(nèi)。當(dāng)微腔的諧振頻率與分子的激子躍遷頻率匹配時(shí)，系統(tǒng)即可進(jìn)入“強(qiáng)耦合”態(tài)。光子與激子不斷交換能量，形成一種名為激子極化子（Exciton-polariton）的準(zhǔn)粒子。這種狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)超吸收并存儲(chǔ)能量的關(guān)鍵。

接下來(lái)是實(shí)現(xiàn)有效放電的關(guān)鍵過(guò)程：研究人員引入了飛秒級(jí)別的超短脈沖激光，其作為能量源照射微腔光子與腔內(nèi)的激子發(fā)生強(qiáng)耦合，從而實(shí)現(xiàn)能量捕獲。通過(guò)調(diào)制微腔的品質(zhì)因子或利用特定的能級(jí)躍遷路徑，團(tuán)隊(duì)首次演示了能量在存儲(chǔ)后的受控釋放，完成從電磁能到激子能再到電磁能的完整轉(zhuǎn)化。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該原型的充電過(guò)程僅需飛秒（Femtoseconds，千萬(wàn)億分之一秒）級(jí)別。更為關(guān)鍵的突破在于存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)先進(jìn)的波譜技術(shù)確認(rèn)，該原型存儲(chǔ)能量的時(shí)間已達(dá)到納秒（10^-9s）級(jí)別，盡管納秒在人類(lèi)感知中轉(zhuǎn)瞬即逝，但從物理尺度上看，存儲(chǔ)時(shí)間比充電時(shí)間長(zhǎng)了 100 萬(wàn)倍。夸克博士解釋稱，如果以一個(gè)充電 1 分鐘的電池為例，6 個(gè)數(shù)量級(jí)的差距意味著它可以保持電量長(zhǎng)達(dá)兩年。

圖 | 量子電池研究負(fù)責(zé)人 James Quach（來(lái)源：CSRIO）

從微觀原型到宏觀愿景

了驗(yàn)證量子效應(yīng)的真實(shí)性，團(tuán)隊(duì)使用了超快飛秒瞬態(tài)吸收光譜（Transient Absorption Spectroscopy）技術(shù)，成功觀察到激子極化子能級(jí)的布居數(shù)變化，證實(shí)了充電速率隨分子密度增加而提升的“超吸收”特征。

至于能量容量，目前該原型的儲(chǔ)能容量?jī)H為幾十億電子伏特（eV），尚不足以驅(qū)動(dòng)任何實(shí)用的電子設(shè)備，但其科學(xué)意義非凡。昆士蘭大學(xué)量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任安德魯·懷特（Andrew White）教授評(píng)價(jià)道：“這項(xiàng)工作證明了量子電池不僅僅是一個(gè)想法，它現(xiàn)在是一個(gè)可以運(yùn)作的原型�！�

此外，該電池最顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了室溫運(yùn)行。傳統(tǒng)量子設(shè)備往往需要液氦冷卻，在極低溫條件下才能運(yùn)行，而其有機(jī)微腔結(jié)構(gòu)通過(guò)激子極化子的穩(wěn)定性，克服了熱噪聲對(duì)相干性的破壞。

量子電池的問(wèn)世將開(kāi)啟能源存儲(chǔ)的新紀(jì)元。未來(lái)，這種超級(jí)充電池的應(yīng)用領(lǐng)域包括但不限于：量子計(jì)算：量子處理器需要在極短時(shí)間內(nèi)獲得極其精準(zhǔn)、低損耗的能量供應(yīng)，量子電池的相干放電特性與之天然匹配；遠(yuǎn)程與動(dòng)態(tài)補(bǔ)能：利用激光無(wú)線充電的特性，無(wú)人機(jī)或衛(wèi)星可在飛行中通過(guò)地面激光站實(shí)現(xiàn)“瞬間閃充”；下一代消費(fèi)電子與 EV：隨著技術(shù)的成熟，未來(lái)大規(guī)模量子電池組理論上可實(shí)現(xiàn)“秒級(jí)”充滿一輛電動(dòng)汽車(chē)，徹底消除續(xù)航焦慮。

面向未來(lái)的挑戰(zhàn)

CSIRO 及其合作伙伴坦言，量子電池商業(yè)化仍有很長(zhǎng)的路要走。接下來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)將集中在以下幾個(gè)方面。

首先，盡管“充-放”邏輯已跑通，但退相干（Decoherence）仍是最大的敵人。如何防止量子態(tài)在長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)中因與外界環(huán)境相互作用而崩潰，是下一步研究的核心。只有使存儲(chǔ)時(shí)間從納秒級(jí)別提升到秒、分鐘乃至小時(shí)級(jí)別，量子電池才能真正具備實(shí)際使用價(jià)值。此外，擴(kuò)大能量容量，即將微觀的量子效應(yīng)擴(kuò)展到宏觀規(guī)模的能量密度，也需要從材料學(xué)角度尋找更優(yōu)質(zhì)的量子增益介質(zhì)。

詹姆斯博士總結(jié)道：“我們正處于量子能源解決方案的起步階段。雖然還有很多難題需要攻克，但這一原型為未來(lái)高效、瞬時(shí)的能源存儲(chǔ)奠定了基礎(chǔ)�！蹦壳�，CSIRO 已開(kāi)始尋求潛在的工業(yè)開(kāi)發(fā)合作伙伴，以加速這一技術(shù)的迭代。

參考資料：

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

https://www.csiro.au/en/news/All/News/2026/March/Quantum-battery-full-cycle

https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2026/mar/quantum-battery-prototype

https://english.news.cn/asiapacific/20260318/ad814fe2b1334cb08c151cdc0c55ff64/c.html

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02240-6

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3160

https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.042123 (arXiv:1211.1209)

排版：劉雅坤