量子计算机能够解决经典计算机无法解决的计算问题。例如,Xanadu最近声称,其量子计算机能够在36微秒内完成超级计算机需要9000年才能完成的计算任务,实现量子计算优越性。
同样的,电池也有量子优越性——“量子电池”是一种用作能量存储设备的量子力学系统。今年3月,韩国基础科学研究所(IBS)提出了一种理论上比传统电池充电快200倍量子充电技术。
尽管取得了一系列理论成就,但量子电池的实验实现仍然很少;寻找可用作量子电池的新的、更易于使用的量子平台显然至关重要。近日,IBS复杂系统理论物理中心(PCS)的研究人员与Giuliano Benenti(意大利英苏布里亚大学)合作,重新审视过去已被大量研究的量子力学系统——“微脉泽”(micromaser)。相关论文以《微脉泽作为量子电池》为题[1],发表在《量子科学与技术》上。
两个“量子手机”的例子,都是由基于电磁场的量子电池充电。左边,不使用微脉泽方法的充电协议会导致不受控制的电池充电,并可能造成损害;右边,基于微脉泽的充电协议能够自我控制存入电荷量。
“微脉泽”(micromaser)是一个系统,其中一束原子被用来将光子泵入一个腔体。简单地说,微脉泽可以被认为是与上述量子电池的实验模型相类似的配置:能量被储存到电磁场中,而电磁场是由依次与之发生作用的量子流来充电的[2]。
IBS PCS的研究人员和合作者表明,微脉泽的特点使其可以作为量子电池的优秀模型。当试图使用电磁场来储存能量时,主要的担忧之一是,原则上电磁场可以吸收大量的能量——可能远远超过所需的能量。用一个简单的例子来类比,这就相当于一个手机电池,当插上电源后,会继续无限期地增加其电量。在这种情况下,忘记手机插电可能是非常危险的,因为没有机制来停止充电。
幸运的是,该团队的数值结果显示[3],这种情况不会发生在微脉泽中。电磁场迅速达到最终配置(技术上称为稳定状态),其能量可以在建造微脉泽时预先确定和决定。这一特性确保了对过度充电风险的保护。
此外,研究人员表明,电磁场的最终配置处于纯态,这意味着它不会带来充电过程中使用过的量子比特的记忆。在处理量子电池时,这种特性特别关键:它确保了储存在电池中的所有能量可以在必要时被提取和使用,而不需要跟踪在充电过程中使用的量子比特。