量子電池：瞬間充電的超級電池

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科技產業資訊室 (iKnow) - 黃松勳發表於 2018年7月31日

圖、An array of qubits can be charged either (B) in parallel or (C) globally.
The results show that, when global entangling operations are allowed on the array during charging, the charging rate increases as the number of qubits increases.Credit: Binder, et al. CC-BY-4.0
https://phys.org/news/2015-08-faster-battery-quantum.html

想為iPhone快速充電嗎？世界首創的”超級電池”可以實現這一目標。

2012年，波蘭格但斯克大學的Robert Alicki和比利時魯汶大學的Mark Fannes研究了可以從臨時儲存能量的量子力學系統中可逆地提取出多少能量。他們發現，透過將許多量子電池糾纏在一起，它們可以提高每個電池的能量輸出，使得非常大量的電池，輸出接近經典熱力學所施加的上限。

目前，澳洲阿德萊德大學的James Quach博士，計畫想要利用量子力學的方式，創造出世界上第一個量子電池，一種具有瞬間充電能力的超級電池。

量子電池，基本上是一種量子系統，如同量子位元，將能量儲存於量子態中。理論上可以比傳統電池充電更快，這種”量子加速”源自於多個量子位元之間的量子糾纏，提供量子位元在不帶電和帶電狀態之間的一條捷徑，允許更快的充電。

當量子位元越多，量子糾纏就越多，充電過程就越快，充電時間與量子位元的數量成反比。電池越多，量子電池的充電速度就越快。假設1個工作量子位元需要一個小時來充電，那麼6個工作量子位元，則可以在10分鐘內充完電，如果有10000個電池，他們都會在不到一秒的時間內充完電。

然而，量子糾纏需要在非常低溫和孤立系統的特殊條件下才會存在，所以當這些條件改變時，量子糾纏就會消失。

James Quach博士希望在接下來的六個月內證明這一點，然後嘗試通過擴大規模並使其更加強大來進一步發展。如果成功的話，它將能瞬間充電，也將徹底改變儲能產業。

結語
量子電池可以非常快速地充放電，但實際上，與智慧型手機或電動車的能量需求相比，儲存在量子電池中的能量與量子位元的能量非常小，大約為0.001 eV，所以在應用上還有很大的障礙，並且還須克服環境低溫與相干性的消失問題，使得其面對的挑戰極具艱難。若以任何具有穩定能量本徵態且可控制的量子系統，理解為電池，那麼在在光學晶格上的冷中性原子、凝聚態物質系統的超導量子位元和電路量子電動力學或量子實驗系統中的光子，皆可實現量子電池的應用概念。(815字；圖1)

參考資料：
Want to charge your iPhone instantly? A world-first 'super battery' could make it possible. ABC News，2018/7/21
Quantum battery could get a boost from entanglement. Physics World，2018/3/27
High-Power Collective Charging of a Solid-State Quantum Battery. Phys. Rev. Lett.，2018/3/15
For faster battery charging, try a quantum battery? Phys. Org，2015/8/3
Quantacell: powerful charging of quantum batteries. New Journal of Physics，2015/7/22
Entanglement boost for extractable work from ensembles of quantum batteries. Phys. Rev. E，2013/4/25

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