量子电池 （QB） 已被提议作为我们所熟知的电化学储能设备的替代品。
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量子电池不是利用锂、钠或铅离子的转移来发电，而是储存来自光子的能量。由于量子效应（如纠缠和超吸收），它们几乎可以瞬间充电。它们不会在短期内为电动汽车提供动力，但可用于量子通信，并可能提高太阳能电池的效率。它们甚至可以并行用于小型电子设备，意大利的研究人员在 2 月份编制了一份可用于制造它们的材料的详细表格（见下文）。
量子电池于 2013 年由波兰格但斯克大学的 Robert Alicki 和比利时鲁汶大学的 Mark Fannes 首次提出，但到目前为止，只有概念验证演示。这个想法是纠缠光子可以在短时间内储存少量能量。这可以在微腔中的有机材料或过冷材料中完成，并且有可能按比例放大以用作实用电池。
普朗克
早在 2023 年，意大利的 Planckian 就筹集了 €2.7m，打算开发 QB 技术。
“人们对量子物理学的新前沿的兴趣，特别是对所谓的量子热力学领域，以及对量子材料非常规特性的研究，从未如此强烈。我们相信，现在是时候开发新的能源管理技术了，以利用量子力学的独特特性，“首席科学官 （CSO） 兼联合创始人兼首席执行官 Vittorio Giovannetti 说。
此后，它开始开发量子处理器，上周与那不勒斯大学合作，在该大学的 QTLab 中测试了下一代量子处理器。
该公司表示：“我们的愿景是，扩展量子技术需要将传统的量子信息科学与新兴领域的创新方法相结合，特别是材料科学和量子热力学。
“最初，我们的研究集中在科学上称为”量子电池“的概念上，它探索量子热力学，以创造精确、高效和稳健的量子比特作新技术。”
此后，该公司将这项研究用于量子计算机的量子比特控制方案。
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“在过去的一年里，我们认识到，通过将量子比特控制的新兴想法与我们现有的方法相结合，可以显著增强和扩展它们。这促使我们集中精力开发一种新的量子处理器架构，该架构可以建立在这种协同作用的基础上，以克服限制量子计算机可扩展性的基本挑战。
与此同时，来自日本理化学研究所量子计算中心和中国华中科技大学的研究人员进行了一项理论分析，展示了如何有效地设计“拓扑量子电池”。
这项工作有望应用于纳米级储能、光量子通信和分布式量子计算。
拓扑量子电池
这种拓扑方法使用光子波导对量子电池进行长距离充电。使用弯曲的非拓扑波导来引导光子的光子系统显示出储能效率的色散和退化。其他障碍包括环境耗散、噪声和无序，所有这些都会导致光子退相干并降低电池的性能。
然而，这种耗散也可用于增强量子电池的充电能力，这只是使拓扑量子电池可用于实际应用的几个优势之一。
理化学研究所研究人员的一个重要发现是，利用波导的拓扑特性可以实现近乎完能量传输。该团队还发现，当耗散超过临界阈值时，充电功率会发生瞬态增强，打破了耗散总是阻碍性能的传统预期。
“我们的研究从拓扑学角度提供了新的见解，并为实现高性能微储能器件提供了提示。通过克服量子电池由长距离能量传输和耗散引起的实际性能限制，我们希望加速量子电池从理论到实际应用的过渡，“该研究的第一作者卢志光说。
“展望未来，我们将继续努力弥合理论研究和量子器件实际部署之间的差距，”理化学研究所的研究员 Cheng Shang 说。
已经为实现 QB 设计了其他物理系统并进行了理论研究，包括相互作用的自旋集成。其他可能的材料包括冷原子、拓扑超导体和在强磁场中具有不规则边界的石墨烯量子点 （QD）。
具有自旋状态的 QB
意大利热那亚大学的研究人员还开发了一种量子电池的想法，该电池在极低温度下使用自旋态来储存能量。通过在过冷材料中使用顺磁性和铁磁性，它们可以增强被困在量子系统中的能量的稳定性。
现任澳大利亚联邦科学与工业研究组织 （CSIRO） 首席科学家的 James Quach 和阿德莱德大学的同事一直在开发在室温下存储纠缠光子的微腔。
这些电池由热沉积制成，用于创建具有仅几纳米厚的活性层的空腔量子电池系统。在与墨尔本大学的合作中，超快激光脉冲用于研究每个系统复杂的充电动力学。
量子微腔
实现 QB 的平台之一依赖于包含一组有机分子的微腔。在这里，法布里-佩罗谐振器通常用作微腔结构。它由夹在两个高反射率平面平行镜之间的一层有机材料形成。镜子可以是金属薄膜、分布式布拉格反射镜 （DBR） 1D 晶体或两者的组合。
最近，混合金属 DBR 反射镜由涂有几层二氧化硅和氧化铌 （SiO2/Nb2O5） 的厚银层制成。这些混合反射镜可实现宽带反射率和增强的限制，并简化制造方法。
DBR 也可以通过用旋涂、浸涂或刮刀交替使用具有不同折射率的聚合物和纳米复合材料层来制造。
在演示充电时，Quach 的研究并未显示累积能量的受控存储和放电，因为腔体吸收的光能在超快的时间尺度上重新发射。有机微腔作为固态 QB 的实际应用的主要挑战是设计和实现可以按需有效存储和提取能量的装置。
为了应对这样的挑战，腔体的活性材料可以设计成一对，一个腔体作为供体，另一个腔体作为受体。这将能量存储数十微秒，被视为一种很有前途的方法。.
德国不来梅大学的其他研究人员构建了一个柱状微腔，其中约有 200 个 QD 耦合到腔模式。该腔由两个 AlAs/GaAs DBR 制成，顶部镜面有 20 对，底部镜面有 23 对，工作电压为 10 K。
特温特大学的一个团队旨在使用核或磁杂质自旋中编码的信息来收集能量。目前的研究主要集中在拓扑绝缘体的界面状态上，其中电子自旋被锁定在其动量方向上：在驱动电流通过材料时，自旋可以通过自旋翻转相互作用将电子转移到原子核，从而产生有限的核自旋极化。当这种极化热松弛到无序状态时，这些自旋翻转相互作用将驱动有限的电荷电流，该电流可用于提取电子功。
然而，其他人正在研究用于低成本太阳能电池板以制造量子电池的相同卤化铅钙钛矿。这些材料的能级间距允许在室温下运行，而不是过冷。钙钛矿材料的特性也可以通过外部场（如电场和光脉冲）进行调整，以产生具有长寿命状态的材料。钙钛矿材料中的光电转换效应也可用于放电阶段。
量子电池材料
另一个重要因素是，在太阳能电池发展的推动下，钙钛矿材料的大规模合成和加工的最新进展与未来潜在 QB 生产的扩大高度相关，意大利比萨 CNR 纳米科学研究所研究主任 Andrea Camposeo 说，他与普朗克联合创始人 Marco Polini 最近在下表中评估了量子电池的材料和方法的范围。
表：用于实现潜在 QB 的材料特性和相关加工方法由 Pisa 的 Camposeo 等人提供
材料
稳定性
原材料成本
设备制造
可扩展的处理
[是/否]
工作温度 [K]
镜子用金属
高
1–10 欧元/克
热蒸发 /
电子束蒸发、溅射沉积
Y
RTc）
用于 DBR 的电介质
高
10−1–1 欧元/克
电子束蒸发、溅射沉积、分子束外延
Y
放疗
有机分子
好。可以通过适当的设备封装来增强
10–104 欧元/克
旋涂、滴铸、热蒸发、叶片涂布、喷墨打印
Y
放疗
快速插拔接头
高
103–104 欧元/克
旋涂、滴铸、金属有机化学气相沉积、平版印刷、喷墨印刷
Y
从几千分之遥到RT
钙钛矿
好。可以通过钝化和封装方法进行增强
10–103 欧元/克
旋涂、热退火、剥离、反溶剂蒸汽辅助结晶。
Y
放疗
普通超导体
高
1–10 欧元/克
光学光刻、电子束光刻蚀刻工艺、金属蒸发
Y
10-50 毫K
高温超导体
高
102–103 欧元/克
电子束光刻、离子束蚀刻
Y
–
量子技术可能是 QB 的主要用户，特别是对于作需要相干和纠缠的量子设备。但是，虽然这些仍处于实验阶段，但世界各地有许多团体正在研究这项技术，以在未来几年内扩大储能规模。
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