研究所提出量子充电技术：9秒充满一辆电动汽车
研究所提出量子充电技术：9秒充满一辆电动汽车，尽管电池技术有了巨大的改进，今天，电动汽车的消费者面临着另一个困难——电池充电速度慢。研究所提出量子充电技术：9秒充满一辆电动汽车。
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随着电动车的普及，越来越多的消费者开始为充电而烦恼。
就当前市面上的电动汽车而言，在家中充电桩充满电，大约需要 10 个小时。即使是前往专用的快速充电站，最快也需要 20-40 分钟才能为一辆车充满电。显然，充电的不便，也让很多潜在消费者望电车止步。
那么，有没有新的技术突破，来提高电车充电速度呢？
最近，基础科学研究所（IBS）复杂系统理论物理中心的科学家们给出了一个全新的技术解决方案——量子充电技术。使用量子充电技术，可将传统的电动汽车充电过程加速 200 倍，这意味着充电时间将从 10 小时缩短到大约 3 分钟（在家里），或在充电站从 30 分钟缩短到 9 秒。
电动车的火热与挑战
无论是光伏还是核能，人类文明迟早都必须转向可再生能源。考虑到人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性，可再生能源的这一趋势被认为是不可避免的。
因此，为了开发替代能源，科学家们进行了大量研究，其中大部分都是将电力作为主要能源载体。而随着可再生能源的广泛开发，基于可再生能源的新产品和设备也得到了快速发展。最显著的变化，就是电动汽车的迅速普及。
虽然 10 年前在公路上大家几乎看不到电动汽车，但现在，每年数百万辆电动汽车进入千家万户。电动汽车市场成为增长最快的新能源行业之一，马斯克也成为了世界上最富有的人之一。
与从碳氢化合物燃料的燃烧中获取能量的传统汽车不同，电动汽车依靠电池作为其能量的存储介质。但是，长期以来，电池的能量密度远低于碳氢化合物，这导致早期电动汽车的续航里程非常低。
不过，电池技术的逐步改进，最终使电动汽车的行驶里程与燃油汽车相比处于可接受的水平。毫不夸张地说，电池存储技术的改进是推动当前电动汽车革命必须解决的主要技术瓶颈之一。
然而，尽管电池技术取得了巨大进步，但如今的电动汽车消费者仍然面临着另一个难题——电池充电速度缓慢。
量子充电技术
为了解决这个问题，科学家们开始在神秘的量子物理学领域寻找答案。
研究人员发现，量子技术可能会带来为电池以更快速度充电的新机制。这种“量子电池”的概念最早是在 2012 年发表的一篇开创性论文中提出。
理论上，量子资源（quantum resource）可以通过为电池内部单元集体同时充电的方式进行充电，从而大大加快电池充电过程。这一发现尤其令人兴奋。
后来，在 2017 年左右，人们注意到这种量子优势背后可能有两个可能的实现途径——即“global operation”（所有充电单元同时与所有其他单元面对面，即“都坐在一张桌子上”）和all-to-all coupling（每个充电单元都可以相互面对面，即“每个单元只有两个参与者”）。
但是，尚不清楚这两种可能是否都是必要的，以及可以达到的充电速度是否有任何限制。
在最新发表的研究中，科学家们进一步探索了这些问题。这篇发表在《物理评论快报》杂志的论文表明，all-to-all coupling 在量子电池中是无关紧要的，global operation 的存在是量子优势的唯一因素。
该小组进一步查明了这种优势的确切来源，同时排除了任何其他可能性，甚至提供了一种设计这种电池的明确方法。
此外，该小组精确量化了在该方案中可以实现多快的充电速度。虽然最大充电速度随着经典电池的电池数量线性增加，但研究表明，采用 global operation 的量子电池可以实现充电速度的指数增加。
图 | 当前的电动汽车，与基于量子电池技术的未来汽车对比图示
为了说明这一点，研究人员假设一个传统的电动汽车，其电池包含大约 200 个电池单元。使用这种量子充电技术，充电速度将比传统电池加速 200 倍，这意味着在家充电时间将从 10 小时减少到大约 3 分钟。而通过快速充电站，充电时间将从 30 分钟缩短到几秒钟。
研究人员表示，这一技术方案的影响可能是深远的，量子充电的实现，可能远远超出电动汽车和消费电子产品领域。例如，它可能会在未来的核能发电厂中找到关键用途，因为这里需要大量的能量以实现瞬间充电和放电。
当然，量子技术仍处于起步阶段，要在实践中实施这些方法还有很长的路要走。
然而，诸如此类的研究结果开辟了一个有希望的方向，并可以激励资助机构和企业进一步投资于这些技术。如果实现，相信量子电池将彻底改变我们使用能源的方式，并使我们更接近可持续未来。
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无论是光伏还是核聚变，人类文明迟早转向可再生能源。考虑到人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性，这是不可避免的。因此，为了开发替代能源，人们已经进行了大量的研究，其中大部分利用电力作为主要的能源载体。
伴随着可再生能源的广泛研发，社会也逐渐发生了变化，更多以可再生能源运行的新产品和设备被采用。最近最引人注目的变化是电动汽车的迅速采用。甚至在 10 年前，道路上几乎看不到电动汽车，而现在每年有数百万辆电动汽车被售出。电动汽车市场是增长最迅速的行业之一，它也推动埃隆 - 马斯克成为世界上最富有的人。
然而，电动汽车的电池存储技术是必须解决的主要技术瓶颈之一。
尽管电池技术有了巨大的改进，今天，电动汽车的消费者面临着另一个困难——电池充电速度慢。目前，汽车需要大约 10 个小时才能完全充电，即使是充电站的超级充电器也需要长达 20-40 分钟才能为车辆完全充电。这给客户带来了额外的成本和不便。
为了解决这个问题，科学家在神秘的量子物理学领域寻找答案。他们的探索导致发现，量子技术可能以更快的速度为电池充电。科学家 Alicki 和 Fannes 在 2012 年发表的一篇开创性论文中首次提出了这种 " 量子电池 " 的概念。理论上，量子资源，如纠缠，可以通过以集体方式同时对电池内的所有电池进行充电来大大加快电池的充电过程。
这尤其令人振奋。这种集体充电在传统电池中是不可能的，因为在传统电池中，电池是彼此独立地平行充电的。这种集体充电与平行充电的优势可以通过称为 " 量子充电优势 " 的比率来衡量。
后来，大约在 2017 年，人们注意到这种量子优势背后可能有两个来源，即 " 全局操作 "（所有的'细胞同时与其他所有的细胞交谈，即 " 所有的人坐在一张桌子上 "）和 " 全耦合 "（每个细胞可以与其他每个细胞交谈，即 " 许多讨论，但每个讨论只有两个参与者 "）。然而，目前还不清楚这两个来源是否是必要的，以及可以实现的充电速度是否有任何限制。
最近，基础科学研究所（IBS）内的科学家们进一步探索了这些问题。研究论文表明，在量子电池中用全耦合是不合适的，而全局操作的存在是量子领域的优势。该小组进一步指出了这种优势的确切来源，同时排除了其他可能性，甚至提供了设计这种电池的明确方法。
此外，该小组还能够精确地量化在这种方案中可以实现多少充电速度。虽然最大充电速度随着经典电池中电池数量的增加而线性增长，但研究表明，采用全局操作的量子电池可以实现充电速度的二次扩展。
为了说明这一点，科学家拿典型的电动汽车为例，其电池包含约 200 个单元。采用这种量子充电将使充电速度快 200 倍，这意味着在家里的充电时间将从 10 小时缩短到约 3 分钟。在高速充电站，充电时间将从 30 分钟缩短到仅仅几秒钟。
研究人员说，量子充电的影响远远超出电动汽车和消费电子产品。例如，它可能在未来的聚变电站中找到关键用途，因为聚变电站需要在瞬间充放电的大量能量。当然，量子技术仍然处于起步阶段，在这些方法能够在实践中实施之前，还有很长的路要走。
然而，像这样的研究结果创造了一个有希望的方向，可以激励投资机构和企业进一步投资于这些技术。如果被采用，相信量子电池将彻底改变人们使用能源的方式，并向可持续发展的未来迈进。
该研究论文题为 "Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations"，已发表在《物理评论快报》期刊上。
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考虑到需求的不断增长、以及化石燃料的有限性，无论是光伏还是聚变能源，人类文明终将在某个时刻转向主要依靠可再生能源的未来。目前业界普遍选择的，是基于电池储能的新能源汽车方案。不过最影响此类交通工具普及的，就是续航焦虑和充电等待时间太长。好消息是，在 3 月 21 日发表于《物理评论快报》的一篇文章中，已有研究人员介绍了可让充电加速 200 倍的新路线。
当前超充成本高不可攀，且仍需 20~40 分钟才能充满。
韩国基础科学研究所（IBS）的研究人员表示：未来量子电池技术有望让 EV 充电加速 200 倍，家充从 10 小时缩短至 3 分钟左右、充电站更是可从 30 分钟缩短至 9 秒！
具体说来是，IBS 科学家们将目光放到了神秘的量子物理学领域。新研究发现，量子技术有望掀开以更快速度为电池充电的新篇章。
其实早在 2012 年发表的一篇开创性论文中，Alicki 和 Fannes 就已经提出过所谓的‘量子电池’概念。 当前的大容量电动汽车，已经在内部集成了大量的电池。但在经典方案中，每一组电池都是彼此相对独立地在那充电的。 但若能够利用纠缠等量子特性，便可让电池产生集体（并发）行为、以极大地加速电池的充电过程。
基于此，研究人员提出了所谓的“量子充电优势”作为衡量标准。后来到 2017 年的时候，人们开始注意到其背后有两个可能的来源。
其一是“全局操作”，即所有电芯同时与所有其它电芯沟通（坐在同一张桌子旁），另一种则是 all-to-all 耦合（每个电芯都能够与另一个沟通，且同时仅限这一对）。
最近，BIS 复杂系统理论物理中心的科学家们，在《Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations》一文中进一步探索了上述问题。
《物理评论快报》（PDF）编辑指出，该论文表明，all-to-all 耦合在量子电池系统中是无关紧要的、全局操作才是其量子优势的唯一存在因素。
研究团队进一步查明了这种优势的确切来源、同时排除了任何其它可能性，甚至提供了一种设计此类电池的明确方法。
此外为了精确量化该方案能够实现多快的充电速率，尽管最大充电速度会随着电池数量而线性增长，但研究表明 —— 采用全局操作的“量子电池”方案，可实现充电速度的“二次缩放”（Quadratic Scaling）。
以某款内置了大约 200 组电池的经典电动汽车为例，新量子充电方案有望带来 200 倍的充电速度提升，意味着家充效率可从10 小时锐减至大约 3 分钟、而高速充电桩更是可从 30 分钟减少至仅几秒钟。
当然，这项技术的理论仍处于早期起步阶段，距离实际投入使用还有很长一段路要走。即便如此，它还是有望在核聚变发电等领域发挥极其深远的影响，因其需要在产生大量能量的瞬间实现充放电。
