量子纠缠可以使电动汽车充电的速度与抽气一样快

基于量子电池技术的当今电动汽车与未来车辆的图示。在典型的电动汽车中，采用量子充电将导致200倍的加速，这意味着充电时间将从10小时减少到大约3分钟（在家中），或者在充电站的30分钟到9秒。

无论是光伏还是聚变，人类文明迟早都要转向可再生能源。考虑到人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性，这被认为是不可避免的。为了开发替代能源，已经进行了大量研究，其中大多数使用电力作为主要能源载体。随着世界采用使用可再生能源的新产品和设备，可再生能源的广泛研发伴随着逐渐的社会变革。最引人注目的变化是电动汽车的快速采用。虽然即使在10年前，它们也很少在道路上看到，但现在，每年销售数百万辆电动汽车。电动汽车市场是增长最快的行业之一。

与传统汽车不同，传统汽车从碳氢化合物燃料的燃烧中获取能量，而电动汽车则依靠电池作为其能量的存储介质。长期以来，电池的能量密度远低于碳氢化合物提供的能量密度，这导致早期电动汽车的续航里程非常低。然而，电池技术的逐步改进最终使电动汽车的行驶里程与汽油燃烧的汽车相比在可接受的水平之内。毫不夸张地说，电池存储技术的改进是必须解决的主要技术瓶颈之一，才能启动当前的电动汽车革命。

然而，尽管电池技术有了巨大的进步，但如今电动汽车的消费者面临着另一个困难：电池充电速度慢。目前，汽车在家中需要大约10个小时才能完全充电。即使是充电站中最快的增压器也需要长达20到40分钟才能为车辆充满电。这给客户带来了额外的成本和不便。

为了解决这个问题，科学家们在量子物理学领域寻找答案。他们的探索导致发现量子技术可能有望以更快的速度为电池充电的新机制。量子电池技术最早是在2012年由Allicki和Fannes发表的一篇开创性论文中提出的。从理论上讲，量子资源，如纠缠，可以通过以集体方式同时对电池内的所有电池进行充电来大大加快电池充电过程。

这尤其令人兴奋，因为现代高容量电池可以包含许多电池。这种集体充电在经典电池中是不可能的，其中电池彼此独立地并联充电。这种集体充电与并行充电的优势可以通过称为量子充电优势的比率来衡量。在2017年左右，研究人员注意到，这种量子优势背后可能有两个可能的来源——即全局操作（其中所有细胞同时与所有其他细胞对话，即“所有细胞坐在一张桌子上”）和一对一耦合（即“许多讨论，但每个讨论只有两个参与者”）。然而，目前尚不清楚这两个来源是否都是必要的，以及是否可以实现的充电速度是否有任何限制。

最近，来自基础科学研究所（IBS）复杂系统理论物理中心的科学家进一步探讨了这些问题。这篇论文被选为《物理评论快报》杂志的编辑建议，表明全对整体耦合在量子电池中是无关紧要的，全球操作的存在是量子优势的唯一因素。该小组进一步确定了这种优势的确切来源，同时排除了任何其他可能性，甚至提供了一种设计这种电池的明确方法。

量子引擎？缠绕作为燃料？ 它仍然比科学事实更像科幻小说，但由于罗切斯特大学的新研究，完美的能源效率可能更接近一步。 为了使汽车运行，汽车的发动机燃烧汽油并将燃烧汽油的能量转化为机械功。然而，在这个过程中，能源被浪费了。一辆典型的汽车只能将汽油中约25%的能量转化为有用的能量，使其运行。

以100%效率运行的发动机仍然比科学事实更科幻，但罗切斯特大学的新研究可能会使科学家更接近于证明系统内能量的理想转移。

罗切斯特大学物理学教授安德鲁·乔丹（Andrew Jordan）最近从约翰邓普顿基金会获得了一项为期三年的100万美元赠款，用于研究量子测量引擎 - 利用量子力学原理以100%效率运行的引擎。这项研究将与法国和圣路易斯华盛顿大学的共同首席研究人员一起进行，可以回答有关量子系统中热力学定律的重要问题，并为更高效的发动机和量子计算机等技术做出贡献。

在微观量子世界中，粒子表现出独特的性质，这些性质与我们所知道的经典物理定律不一致。乔丹和他的同事们将使用超导电路来设计可以在现实的量子系统中进行的实验。通过这些实验，研究人员将研究能量，功，功率，效率，热和熵定律如何在量子水平上发挥作用。这些概念目前在量子力学中知之甚少。

微观电源任务 量子测量引擎可以在微观环境中工作，用于非常小的功率任务，例如在原子周围移动或为小型化电路充电。在这些能力中，它们可能是量子计算机的重要组成部分。

然而，这种类型的发动机目前不能用于为汽车提供动力。量子测量引擎中的功率以单位皮瓦为单位进行测量，一皮瓦等于百万分之一瓦。相比之下，单个灯泡的功率约为60瓦。

“所涉及的功率尺度 - 像皮瓦这样的数字 - 表明我们的人类利益与这些微型发动机之间的巨大差距，”乔丹说。

Jordan说，为人类规模的活动制造量子测量引擎的一种方法可能是“通过大规模并行化”。“每个设备只输出少量的能量，但通过让数十亿个设备一起工作，你可以从头开始制造一个宏观引擎。

如何从使用纠缠作为燃料的系统中提取工作。在纠缠（量子物理学的基本概念之一）中，一个粒子的性质与另一个粒子的性质相互关联，即使粒子相隔很远。使用纠缠作为燃料具有可能具有制造非本地发动机的革命性特征;发动机的一半可能在纽约，而另一半可能在加利福尼亚。能量不会被系统的任何一半所占据，但这两个部分仍然可以共享能量来熟练地为两半提供燃料。

“我们将证明，发动机原则上可以非常高效，”乔丹说。“也就是说，将有一个理想的能量从测量设备转移到量子系统。

此外，该小组能够精确量化该方案可以达到多少充电速度。虽然最大充电速度与经典电池中的电池数量呈线性增长，但研究表明，采用全局操作的量子电池可以在充电速度上实现二次缩放。为了说明这一点，请考虑一个典型的电动汽车，其电池包含约200个电池。采用这种量子充电将导致比经典电池快200倍，这意味着在家中充电时间将从10小时减少到约3分钟。在高速充电站，充电时间将从30分钟缩短到几秒钟。

研究人员表示，后果是深远的，量子充电的影响可能远远超出电动汽车和消费电子产品。例如，它可能会在未来的聚变发电厂中找到关键用途，这些发电厂需要瞬间充放电大量能量。当然，量子技术仍处于起步阶段，在将这些方法付诸实践之前还有很长的路要走。然而，诸如此类的研究结果创造了一个有希望的方向，可以激励资助机构和企业进一步投资这些技术。

文章转载自公众号：软件赋能汽车