量子糾纏推動量子電池的發展

上圖所示是一種量子協作模式，底部面板顯示出在光腔中的電池量子位的糾纏態。

義大利的物理學家設計了一種「量子電池」，他們說可以用今天的固態技術製造。他們聲稱，這種裝置將能量儲存在量子比特的激發態中，由於量子糾纏，它能很快地充電，並能為未來的量子計算機提供能量。

這項研究是物理學家研究微小系統熱力學的一部分，如原子或分子熱機、冰箱等結構。2012年，波蘭格但斯克大學的Robert Alicki和比利時魯汶大學的Mark Fannes實現了可逆地從一個用來暫時儲存能量的量子力學系統中提取能量。他們發現，通過把許多量子電池可以提高能源產出的數量非常大的電池，它們的輸出接近經典熱力學所施加的上限。

其他研究團體也已經開始建立這項工作研究，與一個以Kavan Modi為首的澳大利亞莫納什大學的研究小組去年發現集體效應可以提高量子電池的充電率（即使量子態不糾纏）。現在，Marco Polini和他的同事們在義大利技術學院（IIT）已經證明這些理論觀點可能實際上在實踐中可以實現。

量子比特的對話

義大利熱那亞研究團隊提出在一個單一的光學諧振腔中的多重雙能級量子系統或量子比特。與特定波長的光照射在一個激光脈衝形成空腔，例如那裡激發量子比特從基態到激發態同時具有糾纏態。這樣的安排，研究者計算，增加了設備的充電電源對量子比特數的平方根的比例，如果量子位被安置在不同的光學腔中，則充電率保持不變。正如Polini所說，一個普通的腔的使用意味著「每一個比特都會與其他比特相互作用」。

Polini說，他們的系統並不違反熱力學的任何法律，因為它只涉及到一個更高的能量流從源到電池可能比常規，而不是能源的總量的增加。該方案涉及充電功率和存儲能量之間的權衡，兩者之間的平衡取決於光子和量子比特相互耦合的強度。

Polini解釋說，通過理論的研究，將會對之前的一些工作調整到更加面向實際。他說：「從歷史上看，關於量子電池的文獻中，很少有文獻來自量子信息界的科學家，他們對基本定理更感興趣，而不是實際的固態實現他們的想法。。我們讀了他們的論文[關於量子電池]，發現這是可以在實驗室里完成的。」

三年磨劍

根據Polini提出的量子電池可以使用量子比特建立，無論從超導體或半導體量子點。他說，他們希望通過和其他三個歐洲機構的實驗相合作，建立一個可以用於原理證明的量子電池原型，並向歐盟的量子技術項目基金提交撥款申請。他估計，這項合作可能在未來三年內製造出多達五個量子位的電池。

然而，Polini，熱衷於強調技術不是設計為筆記本電腦或其他熟悉的電子設備。他指出，量子電池將很快在納秒放電，同時其也是一種儲存的能量也非常小的設備。事實上，他說，儲存在量子電池中的能量與量子位元的能量水平相差約0.001伏特，而典型的手提電腦電池則儲存1024伏特。他說：「這些設備不會取代普通電池。」。

相反，Polini認為，在未來的電池供電的純粹的量子器件，如量子計算機。他估計，也許在未來的10到20年內，可能一個數組具有幾千個量子位元。這種數組，他設想，將是一個循環操作，使每一個量子比特可以在計算機中提供連續比特能量。他說：「我們的夢想是建立一個基於量子技術的集成電路。電路的每一個單元都會自動化地工作，包括電池。」

雜訊問題

Modi說，「真正令人驚訝」的是，義大利技術學院的研究人員設法找到「適應我們的玩具模型的物理結構」。但是，他警告說，他們必須證明他們的技術能夠抵抗環境噪音。他說：「很可能我們不會很快看到一個量子電池，我們也不清楚我們如何使用這種電池。在我們做實驗之前，還有很多理論要做，這還有一些工程研究。」

這種新型的電池設計的相關研究已經發表在在《物理評論快報》上。

來源：https://physicsworld.com/a/quantum-battery-could-get-a-boost-from-entanglement/

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