最快9秒充滿電動汽車？量子技術有望將充電速度提高200倍

近日，科學家通過研究發現，“量子電池”可以將充電速度提高200倍，將一輛電動汽車的充電時間從10小時最快縮短到9秒。

近幾年，可再生能源受到全球廣泛關注。全球電動汽車市場規模不斷擴大，據市場研究機構Canalys，2021年全球電動汽車(包括純電動和插電式混合動力汽車)銷量為650萬輛，比2020年增長109%。其中，中國大陸市場銷售超過320萬輛，佔全球電動汽車銷量的一半。

電動電池作為電動汽車的關鍵部件，其生產和存儲技術是目前亟待優化的問題。隨著電池技術的改進，電動汽車的續航里程已達到消費者可接受的範圍。

但消費者依舊面臨著電池充電速度慢的問題。目前，一輛電動汽車在家充電，充滿大約需要10個小時。即使是充電速度最快的超級充電站，也需要20至40分鐘才能充滿電。因此，充電速度問題給消費者帶來了更多的時間成本。

為了解決這一問題，科學家開始在量子物理學中尋找答案。

2012年，Robert Alicki和Mark Fannes二人發表了一篇開創性論文，並首次提出“量子電池”概念。他們的研究發現，量子技術可能會帶來新的突破，以更快的速度給電池充電。理論上，量子技術(例如量子糾纏)可以對電池組的所有單個電池進行集體充電，從而大幅加快充電過程。

由於在傳統電池中，電池組內的電池是相互獨立、並聯充電的，無法實現集體充電。因此，科學家將集體充電相較於並聯充電的優勢，稱為“量子充電優勢”(quantum charging advantage)。

直到2017年，科學家發現了“量子充電優勢”的兩種可能來源：“全局操作”(global operation，即電池組內所有電池可與其它電池同時交流)和“全部耦合”(all-to-all coupling，即電池組內的電池與其它電池的交流形式為“一對一”)。但此前，科學界尚不明確這兩種來源是否必要，且是否會限制充電速度。

此次，韓國基礎科學研究院(IBS)複雜系統理論物理中心的研究人員提出，“全部耦合”在量子電池中無關緊要，“全局操作”的存在是“量子充電優勢”的唯一因素。團隊進一步確定了這種優勢的確切來源，排除了其它可能性，並提供了設計量子電池的一種明確方法。該研究成果發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)，並被選為“編輯推薦”論文。

此外，前述團隊能精確量化該方案中“量子電池”可實現的充電速度。傳統電池的最大充電速度一般隨著電池數量的增加而線性增加，但採用“全局操作”的量子電池充電速度可以實現平方增速。他們提出，一輛普通的電動汽車，其電池組大約包含200個電池。若使用量子充電技術，其充電速度將比傳統電池快200倍。這意味著一輛電動汽車在家充電的時間將從10小時，縮短到約3分鐘，在高速充電站可以從30分鐘縮短到短短幾秒。

研究人員表示，量子充電技術的影響力可能遠遠超出電動汽車和消費電子產品本身。例如，它可能在未來應用於核聚變發電廠，因為這些發電廠需要在瞬間大量充電與放電。儘管量子技術仍處於起步階段，要實現這些技術的實際應用還有很長的路，但這些研究可以激勵機構和企業進一步投資量子技術。如果量子電池得以應用，它將徹底改變我們使用能源的方式，有助於實現可持續發展的未來。