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隨著電動車的普及，越來越多的消費者開始為(wei) 充電而煩惱。

就當前市麵上的電動汽車而言，在家中充電樁充滿電，大約需要 10 個(ge) 小時。即使是前往專(zhuan) 用的快速充電站，最快也需要 20-40 分鍾才能為(wei) 一輛車充滿電。顯然，充電的不便，也讓很多潛在消費者望電車止步。

那麽(me) ，有沒有新的技術突破，來提高電車充電速度呢？

最近，基礎科學研究所（IBS）複雜係統理論物理中心的科學家們(men) 給出了一個(ge) 全新的技術解決(jue) 方案——量子充電技術。使用量子充電技術，可將傳(chuan) 統的電動汽車充電過程加速 200 倍，這意味著充電時間將從(cong) 10 小時縮短到大約 3 分鍾（在家裏），或在充電站從(cong) 30 分鍾縮短到 9 秒。

電動車的火熱與(yu) 挑戰

無論是光伏還是核能，人類文明遲早都必須轉向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，可再生能源的這一趨勢被認為(wei) 是不可避免的。

因此，為(wei) 了開發替代能源，科學家們(men) 進行了大量研究，其中大部分都是將電力作為(wei) 主要能源載體(ti) 。而隨著可再生能源的廣泛開發，基於(yu) 可再生能源的新產(chan) 品和設備也得到了快速發展。最顯著的變化，就是電動汽車的迅速普及。

雖然 10 年前在公路上大家幾乎看不到電動汽車，但現在，每年數百萬(wan) 輛電動汽車進入千家萬(wan) 戶。電動汽車市場成為(wei) 增長最快的新能源行業(ye) 之一，馬斯克也成為(wei) 了世界上最富有的人之一。

（來源：Pixabay）

與(yu) 從(cong) 碳氫化合物燃料的燃燒中獲取能量的傳(chuan) 統汽車不同，電動汽車依靠電池作為(wei) 其能量的存儲(chu) 介質。但是，長期以來，電池的能量密度遠低於(yu) 碳氫化合物，這導致早期電動汽車的續航裏程非常低。

不過，電池技術的逐步改進，最終使電動汽車的行駛裏程與(yu) 燃油汽車相比處於(yu) 可接受的水平。毫不誇張地說，電池存儲(chu) 技術的改進是推動當前電動汽車革命必須解決(jue) 的主要技術瓶頸之一。

然而，盡管電池技術取得了巨大進步，但如今的電動汽車消費者仍然麵臨(lin) 著另一個(ge) 難題——電池充電速度緩慢。

量子充電技術

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，科學家們(men) 開始在神秘的量子物理學領域尋找答案。

研究人員發現，量子技術可能會(hui) 帶來為(wei) 電池以更快速度充電的新機製。這種“量子電池”的概念最早是在 2012 年發表的一篇開創性論文中提出。

理論上，量子資源（quantum resource）可以通過為(wei) 電池內(nei) 部單元集體(ti) 同時充電的方式進行充電，從(cong) 而大大加快電池充電過程。這一發現尤其令人興(xing) 奮。

（來源：Pixabay）

後來，在 2017 年左右，人們(men) 注意到這種量子優(you) 勢背後可能有兩(liang) 個(ge) 可能的實現途徑——即“global operation”（所有充電單元同時與(yu) 所有其他單元麵對麵，即“都坐在一張桌子上”）和'all-to-all coupling'（每個(ge) 充電單元都可以相互麵對麵，即“每個(ge) 單元隻有兩(liang) 個(ge) 參與(yu) 者”）。

但是，尚不清楚這兩(liang) 種可能是否都是必要的，以及可以達到的充電速度是否有任何限製。

在最新發表的研究中，科學家們(men) 進一步探索了這些問題。這篇發表在《物理評論快報》雜誌的論文表明，all-to-all coupling 在量子電池中是無關(guan) 緊要的，global operation 的存在是量子優(you) 勢的唯一因素。

該小組進一步查明了這種優(you) 勢的確切來源，同時排除了任何其他可能性，甚至提供了一種設計這種電池的明確方法。

此外，該小組精確量化了在該方案中可以實現多快的充電速度。雖然最大充電速度隨著經典電池的電池數量線性增加，但研究表明，采用 global operation 的量子電池可以實現充電速度的指數增加。

圖 | 當前的電動汽車，與(yu) 基於(yu) 量子電池技術的未來汽車對比圖示

為(wei) 了說明這一點，研究人員假設一個(ge) 傳(chuan) 統的電動汽車，其電池包含大約 200 個(ge) 電池單元。使用這種量子充電技術，充電速度將比傳(chuan) 統電池加速 200 倍，這意味著在家充電時間將從(cong) 10 小時減少到大約 3 分鍾。而通過快速充電站，充電時間將從(cong) 30 分鍾縮短到幾秒鍾。

研究人員表示，這一技術方案的影響可能是深遠的，量子充電的實現，可能遠遠超出電動汽車和消費電子產(chan) 品領域。例如，它可能會(hui) 在未來的核能發電廠中找到關(guan) 鍵用途，因為(wei) 這裏需要大量的能量以實現瞬間充電和放電。

當然，量子技術仍處於(yu) 起步階段，要在實踐中實施這些方法還有很長的路要走。

然而，諸如此類的研究結果開辟了一個(ge) 有希望的方向，並可以激勵資助機構和企業(ye) 進一步投資於(yu) 這些技術。如果實現，相信量子電池將徹底改變我們(men) 使用能源的方式，並使我們(men) 更接近可持續未來。

參考資料：

https://arxiv.org/abs/2108.02491

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