精密测量院等联合在量子电池基础理论研究方面取得新进展
精密测量院等联合在量子电池基础理论研究方面取得新进展
近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称“精密测量院”）与湖北大学、兰州大学合作，在量子电池理论研究方面取得重要进展。研究团队提出了一种新型量子电池方案，成功解决了量子电池的老化问题和距离限制问题，实现了非接触式的远距“类无线”充电。相关研究成果已在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表，并受到国际科技媒体的广泛关注。
近年来，关于量子电池的研究是颇受关注的量子科技问题之一，同时日益增长的能源需求也不断激发了人们对变革性储供能装置研究的兴趣。人们期待通过量子系统的特性以及在微观尺度上重构热力学及动力学规律，再结合在量子比特层面上的精确探测与操纵的实验技术，以实现具有更小尺寸、更强的充电功率、更高的充电容量和更大的可提取功的新原理储供能装置——量子电池。虽然近年来量子电池取得快速发展，但是它的实现与应用仍然面临两大挑战：一是量子电池的老化问题，这是由于环境诱导量子电池的退相干使其存储的能量自发耗散；二是量子电池普遍采用电池与充电器间的相干耦合来充电，但该充电方案敏感地受制于不可避免发生的退相干与电池-充电器间距的增大而面临失效。
针对这两大挑战，研究团队提出了一种新型量子电池方案：分别扮演充电器和量子电池角色的两个二能级原子被放置在一个矩形中空金属波导中，充电器和量子电池的间距远大于能实现偶极-偶极相干耦合的有效距离。研究发现：利用波导中的真空电磁场这一共同环境诱导的非马尔科夫退相干动力学，可实现充电器与电池间免受老化影响的持续能量交换。该过程实现了量子电池非接触式的远距“类无线”充电，同时也证实了退相干效应在建立电池-充电器间相干互联中的建设性作用，有效地解决量子电池的能量耗散问题和距离限制问题。该工作对进一步推动量子电池的物理实现具有重要理论指导意义。
该工作受到了国际科技媒体的广泛报道。《Nature》刊文对该工作进行了题为“A better way to charge a quantum battery”的“亮点研究”报道。国际科技新闻门户网站Phys.org进行了题为“Scientists propose new scheme for the quantum battery using waveguides”的报道。英国科技新闻杂志《New Scientist》进行了题为“Quantum batteries that charge wirelessly might never lose efficiency”的报道。美国知名技术和创新媒体以题为“Chinese researchers develop first wireless quantum battery that never runs out”的报道。
该研究以 “Remote charging and degradation suppression for quantum battery”为题在学术期刊《Physical Review Letters》上发表。湖北大学副教授宋婉露为文章第一作者，湖北大学教授周斌、精密测量院研究员杨万里和兰州大学教授安钧鸿为联合通讯作者。
该工作得到了国家自然科学基金项目、湖北省创新团体项目、湖北省杰青等项目的资助。
相关链接：
Wan-Lu Song, Hai-Bin Liu, Bin Zhou, Wan-Li Yang, and Jun-Hong An, Remote charging and degradation suppression for quantum battery, Phys. Rev. Lett. 132, 090401 (2024).
A better way to charge a quantum battery, Nature Research Highlight (08 March 2024), https://doi.org/10.1038/d41586-024-00652-1.
Scientists propose new scheme for the quantum battery using waveguides, https://phys.org/news/2024-03-scientists-scheme-quantum-battery-waveguides.html.
Quantum batteries that charge wirelessly might never lose efficiency, https://www.newscientist.com/article/2390776-quantum-batteries-that-charge-wirelessly-might-never-lose-efficiency/.
K. Padavic-Callaghan, Quantum batteries could perform better if charged wirelessly, New Scientist Issue 3456, 17 (2023).