日本科学家发明不会漏电的量子电池

量子电池的前景
随着环境可持续性成为日益紧迫的全球议题，研究人员正在探索下一代储能的新方法。量子电池——一种利用叠加态、纠缠和相干性等量子现象而非传统化学反应来储存能量的微型理论装置——有望重新定义电力的储存和传输方式。原则上，与传统电池相比，这些电池具有充电更快、容量更高、能量提取效率更优等多项优势。

攻克量子能源系统的挑战
尽管多年来不断有相关构想提出，但量子电池的实际应用仍遥不可及。在现实条件下，这些系统尤其容易受到能量损失和退相干的影响——退相干是指量子系统失去纠缠和叠加态等基本特性，从而导致性能下降的过程。在使用普通（非拓扑）波导的光子系统中——波导是引导光子的通道，但对弯曲或缺陷敏感——光子在波导内分散会导致能量效率急剧下降。环境噪声、耗散和结构无序等其他挑战进一步削弱了系统的稳定性和储能效率。

利用拓扑学提升电池性能
为解决这些长期存在的问题，国际研究团队在理论框架内采用了解析和数值建模方法。通过利用拓扑特性——即材料在结构扭曲或弯曲时仍保持不变的特性——他们证明，量子电池有望实现长距离能量传输和对耗散的免疫性。意外的是，研究人员还发现，通常会削弱性能的耗散在特定条件下可暂时提高充电功率。

突破性发现与未来意义
这项研究揭示了多项令人期待的成果，使拓扑量子电池更接近实际应用。团队证明，光子波导的拓扑特性可实现近乎完美的能量传输。当充电源和电池位于同一位置时，系统获得的耗散免疫性仅限于单个子晶格。他们还发现，当耗散超过临界水平时，充电功率会经历短暂但显著的提升，这颠覆了长期以来认为能量损失总是有害的假设。

迈向实用化的量子电池
该研究第一作者陆志光表示：“我们的研究从拓扑学角度提供了新见解，为实现高性能微型储能器件提供了思路。通过克服量子电池因长距离能量传输和耗散导致的实际性能限制，我们希望加速量子电池从理论走向实际应用的进程。”

国际研究团队通讯作者尚诚表示：“展望未来，我们将继续努力弥合量子器件理论研究与实际部署之间的差距，开启我们长期设想的量子时代。”