最快9秒充满电动汽车？量子技术有望将充电速度提高200倍

近日，科学家通过研究发现，“量子电池”可以将充电速度提高200倍，将一辆电动汽车的充电时间从10小时最快缩短到9秒。

近几年，可再生能源受到全球广泛关注。全球电动汽车市场规模不断扩大，据市场研究机构Canalys，2021年全球电动汽车（包括纯电动和插电式混合动力汽车）销量为650万辆，比2020年增长109%。其中，中国大陆市场销售超过320万辆，占全球电动汽车销量的一半。

电动电池作为电动汽车的关键部件，其生产和存储技术是目前亟待优化的问题。随着电池技术的改进，电动汽车的续航里程已达到消费者可接受的范围。

但消费者依旧面临着电池充电速度慢的问题。目前，一辆电动汽车在家充电，充满大约需要10个小时。即使是充电速度最快的超级充电站，也需要20至40分钟才能充满电。因此，充电速度问题给消费者带来了更多的时间成本。

为了解决这一问题，科学家开始在量子物理学中寻找答案。

2012年，Robert Alicki和Mark Fannes二人发表了一篇开创性论文，并首次提出“量子电池”概念。他们的研究发现，量子技术可能会带来新的突破，以更快的速度给电池充电。理论上，量子技术（例如量子纠缠）可以对电池组的所有单个电池进行集体充电，从而大幅加快充电过程。

由于在传统电池中，电池组内的电池是相互独立、并联充电的，无法实现集体充电。因此，科学家将集体充电相较于并联充电的优势，称为“量子充电优势”(quantum charging advantage)。

直到2017年，科学家发现了“量子充电优势”的两种可能来源：“全局操作”(global operation，即电池组内所有电池可与其它电池同时交流)和“全部耦合”(all-to-all coupling，即电池组内的电池与其它电池的交流形式为“一对一”)。但此前，科学界尚不明确这两种来源是否必要，且是否会限制充电速度。

电动汽车的传统充电与量子充电区别示意图，图片来自韩国基础科学研究院(IBS)

此次，韩国基础科学研究院(IBS)复杂系统理论物理中心的研究人员提出，“全部耦合”在量子电池中无关紧要，“全局操作”的存在是“量子充电优势”的唯一因素。团队进一步确定了这种优势的确切来源，排除了其它可能性，并提供了设计量子电池的一种明确方法。该研究成果发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被选为“编辑推荐”论文。

此外，前述团队能精确量化该方案中“量子电池”可实现的充电速度。传统电池的最大充电速度一般随着电池数量的增加而线性增加，但采用“全局操作”的量子电池充电速度可以实现平方增速。他们提出，一辆普通的电动汽车，其电池组大约包含200个电池。若使用量子充电技术，其充电速度将比传统电池快200倍。这意味着一辆电动汽车在家充电的时间将从10小时，缩短到约3分钟，在高速充电站可以从30分钟缩短到短短几秒。

研究人员表示，量子充电技术的影响力可能远远超出电动汽车和消费电子产品本身。例如，它可能在未来应用于核聚变发电厂，因为这些发电厂需要在瞬间大量充电与放电。尽管量子技术仍处于起步阶段，要实现这些技术的实际应用还有很长的路，但这些研究可以激励机构和企业进一步投资量子技术。如果量子电池得以应用，它将彻底改变我们使用能源的方式，有助于实现可持续发展的未来。