量子电池打破因果关系

包括东京大学在内的研究人员首次利用一种不直观的量子过程，无视传统的因果关系概念，来提高所谓量子电池的性能，使这项未来技术更接近现实。

当你听到“量子”这个支配亚原子世界的物理学时，量子计算机的发展往往会成为头条新闻，但还有其他即将推出的量子技术值得关注。

其中一项就是量子电池，尽管它的名称最初令人费解，但它在可持续能源解决方案以及与未来电动汽车的集成方面具有尚未开发的潜力。尽管如此，这些新设备有望用于各种便携式和低功耗应用，特别是在充电机会稀缺的情况下。

目前，量子电池仅作为实验室实验存在，世界各地的研究人员正在研究不同的方面，希望有一天能够将其结合成功能齐全的实际应用。

东京大学信息与通信工程系的研究生陈远波和副教授长谷川义彦正在研究给量子电池充电的最佳方法，而这正是时间发挥作用的地方。量子电池的优点之一是它们应该非常高效，但这取决于它们的充电方式。

“当前用于智能手机或传感器等低功耗设备的电池通常使用锂等化学物质来存储电荷，而量子电池则使用原子阵列等微观粒子，”陈说。

“虽然经典物理定律支配着化学电池，但微观粒子本质上是量子的，因此我们可以探索使用它们的方法，从而改变甚至打破我们对小尺度上发生的事情的直觉概念。我对量子粒子如何违反我们最基本的经验之一——时间——特别感兴趣。”

该团队与北京计算科学研究中心的朱高燕研究员和薛鹏教授合作，尝试了使用激光器、透镜和镜子等光学设备为量子电池充电的方法，但他们实现这一目标的方法需要量子效应，其中事件并不像日常事物那样存在因果关系。

早期的量子电池充电方法涉及一系列相继的充电阶段。然而，该团队使用了一种新的量子效应，他们称之为无限因果顺序(ICO)。

在经典领域中，因果关系遵循一条清晰的路径，这意味着如果事件A导致事件B，则排除B导致A的可能性。然而，在量子尺度上，ICO 允许因果关系的两个方向存在于所谓的量子叠加态中，两者可以同时成立。

“通过 ICO，我们证明了对由量子粒子组成的电池充电的方式可能会极大地影响其性能，”陈说。

“我们看到系统中存储的能量和热效率都取得了巨大的进步。有点违反直觉的是，我们发现了与您可能期望的相反的相互作用的惊人效果：与使用相同设备的相对较高功率充电器相比，较低功率充电器可以提供更高的能量和更高的效率。”

该团队探索的 ICO 现象除了为新一代低功耗设备充电之外还有其他用途。

基本原理，包括这里发现的逆相互作用效应，可以提高涉及热力学或涉及热传递的过程的其他任务的性能。一个有前景的例子是太阳能电池板，其热效应会降低其效率，但 ICO 可以用来减轻这些影响并提高效率。