全球首个全周期量子电池原型问世DeepTech深科技

在宏观世界中，电池的大小与充电时间成正比。然而，在微观量子力学的疆域里，物理法则却会发生令人惊叹的逆转：电池越大，充电反而更快了。

3 月 18 日，由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、墨尔本皇家理工大学（RMIT）以及墨尔本大学组成的联合研究团队宣布，他们成功研发并演示了世界上首个能够完成“充-存-放”全周期循环的量子电池原型。这一突破不仅挑战了我们对能量存储的直觉认知，更标志着量子超吸效应正式从理论走进实验室原型。相关研究已发表于《自然》旗下的《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。

图 | 全球首个完全功能概念验证量子电池（来源：CSRIO）

范式转移：从化学反应到量子力学

自 2013 年量子电池作为理论概念被首次提出以来，科学界一直寄希望于利用量子力学的独特性质来重塑能源存储系统。

与依赖电化学反应的传统锂离子电池不同，量子电池的运行逻辑建立在量子叠加、纠缠及“集体效应”（Collective Effects）之上。其理论根源可追溯至物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）提出的“超辐射”（Superradiance）概念。

传统的化学电池充电时，每个活性单元（如锂离子）是独立进行反应的，电荷的存储是一个准线性的过程。随着规模（电池单元数量）的增大，由于内阻和热效应，其充电时间往往会随之增加。这也是为什么手机充电需要 30 分钟，而电动汽车通常需要数小时甚至一夜。

量子电池则利用了“超吸收”现象，这是超辐射的逆过程。当大量量子比特（或分子激子）处于纠缠态或相干叠加态时，它们会作为一个整体与电磁场耦合，允许所有单元通过量子相干性同时吸取能量。根据迪克模型，这种相干耦合会导致转换速率随单元数量非线性增长。在理想的量子电池中，充电功率与单元数量的平方成正比，传统电池仅与单元数量本身成正比。

随着量子电池规模的扩大，量子电池会展现出一种完全相反且“违背直觉”的特性：规模越大，充电反而越快。这一原理在实验中得到了验证：随着量子电池规模的扩大，充电功率呈非线性增长。一个大型量子电池阵列的充电速度将远超其组成单元的简单叠加，理论上可以实现“瞬时充电”。

结构解析：有机微腔与激光补能

早在 2022 年，量子电池研究负责人詹姆斯·夸奇（James Quach）博士就带领团队在《科学进展》（Science Advances）上发表研究，首次证明了量子电池的充电速度。但当时的设备仅能展示充电过程，能量一旦捕获就会迅速衰减，且无法按需释放。

为突破瓶颈，实现能量的“充电-存储-放电”全循环，研究人员设计了一种具有多层结构的有机微腔（Organic Microcavity）。电池内部包含特定的光活性材料：掺杂在聚乙烯醇（PVA）基质中的半导体有机染料分子，这些分子具有极高的振子强度。

图 | CSIRO 原型量子电池工程的清洁实验室（来源：CSIRO）

活性材料层被夹在两层分布式布拉格反射镜（DBR）之间。这两个高反射率镜面形成了一个光学微腔，将光子限制在极小的空间内。当微腔的谐振频率与分子的激子跃迁频率匹配时，系统即可进入“强耦合”态。光子与激子不断交换能量，形成一种名为激子极化子（Exciton-polariton）的准粒子。这种状态是实现超吸收并存储能量的关键。

接下来是实现有效放电的关键过程：研究人员引入了飞秒级别的超短脉冲激光，其作为能量源照射微腔光子与腔内的激子发生强耦合，从而实现能量捕获。通过调制微腔的品质因子或利用特定的能级跃迁路径，团队首次演示了能量在存储后的受控释放，完成从电磁能到激子能再到电磁能的完整转化。

实验数据显示，该原型的充电过程仅需飞秒（Femtoseconds，千万亿分之一秒）级别。更为关键的突破在于存储时间的延长。研究团队通过先进的波谱技术确认，该原型存储能量的时间已达到纳秒（10^-9s）级别，尽管纳秒在人类感知中转瞬即逝，但从物理尺度上看，存储时间比充电时间长了 100 万倍。夸克博士解释称，如果以一个充电 1 分钟的电池为例，6 个数量级的差距意味着它可以保持电量长达两年。

图 | 量子电池研究负责人 James Quach（来源：CSRIO）

从微观原型到宏观愿景

了验证量子效应的真实性，团队使用了超快飞秒瞬态吸收光谱（Transient Absorption Spectroscopy）技术，成功观察到激子极化子能级的布居数变化，证实了充电速率随分子密度增加而提升的“超吸收”特征。