现代电池在其224年的历史中已经取得了长足的进步。 从亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）堆叠的金属圆盘和浸泡盐水的布料，发展到如今我们拥有像全麦饼干大小、可持续使用数天的电池。
但目前市场上这些设备的极限在哪里？ 要突破这个极限需要克服哪些技术挑战，何时能克服这些障碍？ 能源储存的未来是什么？
全球少数科学家正在研究一个答案：一种利用量子物理学而非经典物理学定律来储存电荷的电池技术。 这是一条漫长的路，但罗马不是一天建成的，当然也不是一天就能供电的。
基本且备受喜爱的电池
电池是一种利用化学反应产生电能的技术。 家用电池通过电流在电路中的流动产生电能。 几个世纪以来，人们开发了不同的电池; 班杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）被认为在1749年的一封信中创造了「电瓶」（electrical battery）一词，他在信的结尾幽默地描述了电力的奇妙之处：
一只火鸡将被电击杀死，作为我们的晚餐; 然后在由电瓶点燃的火前，用电烤架烤熟; 届时，我们将在电枪的轰鸣声中，用电杯畅饮，为英、法、德所有著名的电学家们的健康干杯。
快转到几种不同的电池，大多以使用各种酸和金属的化学反应开发它们的科学家命名，1859年，我们有了铅酸电池，这是第一个能够通过反转电流来充电的电池。 在20世纪末，锂离子电池开始流行，并一直保持至今，它使用锂与其他金属和磷酸盐的不同组合。 但在现代电池的整个历史中，化学反应产生电能的基本原理没有改变。
好了，忘掉电池吧。 到底什么是“量子”？
让我们快速回顾一下量子物理学的大致内容。 处于量子态的粒子，其运行规则与你周围看到的一切事物完全不同，从云中的水到血管中的血液都是如此。 粒子在极端条件下进入量子态：极低的温度和真空。 在这些条件下，粒子可以同时表现得像多种事物一样，使它们可用于进行复杂的数学运算（如量子计算机）和检查时间旅行（在某种意义上）是否可能。
量子系统还可以表现出纠缠，这是一种两个或多个量子粒子定义彼此特征的现象。 在量子计算机中，阵列中的原子携带给定操作所需的消息，就像普通电脑中的位一样。 这些原子是量子位，或称量子位元。
但量子操作很微妙。 一旦量子系统中的任何值确定下来，操作就会瓦解。 整个系统，例如阵列中的原子，就会回到经典状态。
量子态可以持续很长时间。 以时间晶体为例，这是一种2012年首次提出的物质状态，今年早些时候，物理学家证明它可以持续至少40分钟，比其他已知晶体长约1000万倍。 这些晶体与量子电池相去甚远，但展示了一些量子系统通常是多么短暂，如果我们想要依赖这种状态来获取能量，这是一个需要解决的重要问题。
目前构想中的量子电池
与普通电池一样，量子电池（正如人们想象的那样）储存能量。 但相似之处仅此而已。 与充电和消耗电池储存能量的化学反应不同，量子电池由量子纠缠或更紧密连接电池及其来源的行为提供动力。
韩国首尔国立大学的量子研究员Ju-Yeon Gyhm在给科技媒体Gizmodo的电子邮件中表示：「量子电池由许多量子单元组成，这些单元就像一个大的量子电池。 挑战在于如何长期保持量子特性。」
由于量子电池和量子计算机具有相同的特性，要使该技术在研究环境之外成为现实，必须克服一个主要的技术挑战：物理学家必须弄清楚如何在最精心管理的研究环境之外保持量子系统的微妙状态。 室温超导体将是这样的圣杯，但这些日子唯一宣称有此发现的人，他们的工作在几个月内就被揭穿了。
「平衡态下的热力学并未对能量转化为热量和功的速度设限，」五位科学家最近在一次关于量子电池的研讨会上写道，该文目前发表在预印本服务器arXiv上。 「因此，在非平衡驱动的量子系统中寻求热力学量子优势似乎是很自然的。」
该小组接着指出，量子纠缠与能量在多体量子系统中储存的速度有关，这一发现促使人们研究量子系统作为能量储存装置。
2018年，一个团队对Dicke量子电池进行了建模，这是首个被提议存在于固态架构中的量子电池; 2022年，一个团队在实验室环境下使用目标、镜子和激光光测试了一个基本的量子电池框架。
最近的实验正在探索这个问题
去年年底，一组量子研究人员提出了一个系统，通过这个系统，量子电池可以在无限因果顺序（ICO）中充电。 他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，研究结果假设，具有ICO的充电系统可以超越传统的充电协议。
东京大学研究员、该研究的主要作者Chen Yuanbo说：「粗略地说，ICO可以用来构建标准量子理论中不可能的量子过程，在标准量子理论中，因果顺序必须是确定的，或者说是固定的。 这种灵活性允许更广泛的量子过程，其中一些可以显示出优势和有趣的特性。」
「我们看到系统中储存的能量和热效率都有巨大的增益。 有点违背直觉的是，我们发现了一个与你预期相反的相互作用的惊人效果：使用相同的设备，功率较低的充电器可以比功率较高的充电器提供更高的能量和更高的效率，」Chen当时说。
量子电池系统的不同实验装置，包括提出的和实现的，意味着有不同的途径来创新这种未来技术的设计。 上个月，格但斯克大学和卡尔加里大学的一个团队提出了一种量子电池充电系统，该系统可以最大限度地增加储存在电池中的能量，同时最大限度地减少充电过程中耗散（或损失）的能量。 该团队重新设计的部分原因是量子电池及其充电器耦合到同一个储存库，产生类似干涉的模式，提高了能量在两者之间传输的效率。 该团队估计，通过新的充电过程，电池可以比使用传统充电器多储存四倍的能量。
澳大利亚阿德莱德大学的量子研究员James Quach说：「量子电池更像是一种波，分子或原子一致行动，而在传统电池中，分子或原子更像单个粒子。 这种集体行为是量子电池超广泛充电特性的基础，在这种特性下，为更大容量的量子电池充电所需的时间更少。」
2022年，Quach领导的一个团队通过将一种名为Lumogen-F orange的分子染料放入一个小空腔中，并用脉冲光照射它，以观察它如何储存光子传递的能量，进而测试了一个基本的量子电池框架。 该团队发现，该系统充电速度非常快，而且更大的系统通常充电速度更快。
Quach说：「目前，为一个储存约1微焦耳能量的量子电池充电需要飞秒到皮秒的时间，可以持续奈秒到毫秒。 虽然这听起来不是很长的时间，但它的储存时间实际上比充电时间长一百万倍以上。 作为比较，这相当于一个传统电池需要几分钟充电，但能够保持数百年的电量。」
正如《新科学家》报道的那样，一些物理学家推测，量子电池的充电时间与系统中量子位的数量成反比; 换句话说，电池越大，充电速度越快。
那么…… 我什么时候能买到量子电池？ 量子电池的研究越来越受到关注，但仍处于起步阶段。 尽管它们的前景非常可观，但该技术的最终设计将是什么样的问题仍然悬而未决。 商业化？ 目前这只是最具商业头脑的物理学家眼中的梦想。
主要问题仍然是让量子系统在扩大规模时保持量子态。 Quach认为，量子电池可以用作手机和汽车中的移动能源，但许多量子系统目前需要非常冷、无噪音的条件才能保持这种状态（顺便说一句，Quach 2022年的实验装置是在室温下操作的）。 并不是要让你沮丧，但核聚变可能比我们设备中的量子电池更接近现实。
量子电池可以比传统设备更快、更高效地充电，并且可以与用于模拟和测量的新兴量子技术相结合。 一个完全可操作的量子电池还没有被证明，但根据最近的研讨会，这样的技术可以彻底改变我们收集、传递和控制能源的方式。 鉴于人类对电力的明显依赖，能源储存可以使用量子飞跃。
