新型稳定量子电池能够可靠地将能量储存到电磁场中

　　＂量子手机＂的两个例子，都是由基于电磁场的量子电池充电的。在左侧，不使用微处理器方法的充电协议会导致电池充电不受控制，并可能造成损坏。在右边，基于微处理器的充电协议能够自我控制沉积到量子手机中的电荷量。图片来源：基础科学研究所
　　量子计算机提供了解决经典计算机无法企及的计算问题的潜力。例如，加拿大公司Xanadu最近声称，其量子计算机已经能够在短短36微秒内解决一项计算任务，使用最先进的超级计算机需要9000年的时间。
　　然而，量子技术需要能量来运行。这种简单的考虑促使研究人员开发了量子电池的想法，量子电池是用作储能设备的量子力学系统。最近，韩国基础科学研究所（IBS）内复杂系统理论物理中心（PCS）的研究人员已经能够对量子电池的可能充电性能施加严格的限制。
　　具体来说，他们表明，与传统的充电协议相比，一组量子电池可以大大提高充电速度。这要归功于量子效应，它允许量子电池中的电池同时充电。
　　尽管取得了这些理论成就，但量子电池的实验实现仍然很少。最近唯一值得注意的反例使用了一组两级系统（与刚才介绍的量子比特非常相似）用于储能目的，能量由电磁场（激光）提供。
　　鉴于目前的情况，找到可以用作量子电池的新的，更容易获得的量子平台显然是最重要的。考虑到这一动机，来自同一IBS PCS团队的研究人员与Giuliano Benenti（意大利Insubria大学）合作，最近决定重新审视过去大量研究的量子力学系统：微质量处理器。
　　微质量处理器是一种系统，其中使用一束原子将光子泵入腔中。简单来说，微激光器可以被认为是上面提到的量子电池实验模型的配置镜面：能量被存储到电磁场中，电磁场由与其顺序相互作用的量子比特流充电。
　　IBS PCS研究人员及其合作者表明，微激光处理器具有使它们能够用作量子电池的优秀模型的功能。当试图使用电磁场来储存能量时，主要关注点之一是，原则上，电磁场可以吸收大量的能量，可能比必要的能量要多得多。用一个简单的案例来类比，这将对应于一个手机电池，当插入时，它会继续无限期地增加其电量。在这种情况下，忘记手机已插入可能是非常危险的，因为没有停止充电的机制。
　　幸运的是，该团队的数值结果表明，这在微处理器中不会发生。电磁场迅速达到最终构型（技术上称为稳态），其能量可以在构建微量体测量器时先验地确定和决定。该属性可确保防止过度收费的风险。
　　此外，研究人员表明，电磁场的最终构型处于纯状态，这意味着它不会带来充电期间使用的量子位的记忆。在处理量子电池时，后一种特性尤其重要。它确保存储在电池中的所有能量都可以在必要时提取和使用，而无需跟踪充电过程中使用的量子位。
　　最后，表明这些吸引人的特征是稳健的，并且不会通过改变本研究中定义的特定参数而破坏。在尝试构建实际的量子电池时，这种特性显然很重要，因为构建过程中的缺陷是不可避免的。
　　有趣的是，在一系列平行的论文中，Stefan Nimmrichter和他的合作者已经证明，量子效应可以使微玛塞尔的充电过程比经典充电更快。换句话说，他们已经能够在微处理器电池充电期间显示前面提到的量子优势的存在。
　　所有这些结果表明，微激光器可以被认为是一个有前途的新平台，可以用来制造量子电池。事实上，这些系统已经在实验实现中实施多年，这一事实可能会大大推动构建新的可访问的量子电池原型。
　　为此，IBS PCS研究人员和Giuliano Benenti目前正在与Stefan Nimmrichter及其合作者开始联合合作，以进一步探索这些有前途的模型。希望这项新的研究合作最终能够对基于微玛塞尔的量子电池器件的性能进行基准测试和实验测试。
　　该研究发表在 《量子科学与技术》杂志 上。
　　更多信息： Vahid Shaghaghi等人，Micromasers as quantum battery， Quantum Science and Technology （2022）。DOI： 10.1088/2058-9565/ac8829
　　期刊信息： 量子科学与技术