科学家提出使用波导的量子电池新方案

兰州大学和湖北大学的研究人员进行的一项新研究提出了一种基于矩形空心金属波导的量子电池（QB）充电方案。这种方法使它们能够克服环境引起的退相干和充电距离的限制。研究结果发表在《物理评论快报》上

电池的需求和供应持续增长，重点是提高储能、寿命和充电能力。在这方面，科学家们现在正在开发利用量子力学原理存储和供应能量的量子电池。

其目的是利用量子力学的基本原理，如纠缠和相干性，克服经典物理的限制，从而实现更强的充电功率、更高的充电容量，以及与经典同行相比更大的工作量提取

这项新研究通过将电池和充电器放置在矩形空心波导中来探索QB。该方法旨在减轻退相干的影响，以实现持久有效的QB性能

谈到该团队探索量子电池的动机，该研究的主要作者、中国兰州大学的Jun Hong An教授告诉Phys.org，“退相干挑战导致QB的自发能量损失，这被称为QB的老化。”

“QB实用性能的另一个挑战是其充电效率低，这是由于QB和充电器之间的相干相互作用很脆弱。我们想克服这些挑战。”

QB模型基于两个两级系统（TLS），这两个系统具有两个不同的能级。这些能级通常表示为基态和激发态

一个系统是电池本身，另一个是充电器。这些TLS之间的充电和能量交换过程在QB系统的功能中起着关键作用。通过与其他TLS或外部场建立相干耦合来对TLS充电

在QBs的背景下，相干耦合是这些量子系统之间同步和相关的相互作用，允许能量的转移或交换。这些相干相互作用是脆弱的，并将退相干引入这些系统

“任何量子系统都不能与其外部环境完全隔离，这不可避免地会对系统产生不必要的退相干，”Jun Hong教授解释道

这些型号通过直接充电器QB交互实现充电。然而，这种关系受到两者之间的距离的影响，导致充电效率下降。为了克服这一点和退相干问题，研究人员引入了矩形空心波导

波导是一种沿着特定路径引导波（通常是电磁波）的结构。它充当波浪的导管，以可控的方式限制和引导波浪传播

“矩形空心金属波导用于收集和引导电磁场，以介导QB和充电器之间的能量传输，”Jun Hong教授说

能量转移本身在两个TLS之间没有直接接触的情况下发生，这为QB充电过程引入了一种新的方法

在波导的范围内，电磁场具有特定的色散关系和带隙结构，这是影响其在量子系统中传播和相互作用的参数

最初，这个电磁场处于真空状态，这意味着它的模式中没有光子。同时，QB处于接地状态，充电器处于激励状态

充电器经历从激发态到基态的转变，在电磁场中发射光子。这在电磁场中引入了激励，导致场具有无限模式（或可能的配置）

尽管在电磁场中具有无限模式通常会在量子系统中引起退相干，但令人惊讶的是，研究人员发现这种无限模式场充当了一种环境，与预期相反，它促进了相干QB充电器的能量交换

Jun Hong教授解释道：“我们的工作揭示了一种通过无限模式电磁场的中介作用实现相干QB充电器能量交换的机制。”

系统中的退相干不会导致QB老化的意外发现与流行的观点相矛盾。相反，研究人员指出，能量交换是一个最佳的充电过程——通常是在充电器和QB直接相互作用的情况下预期的

此外，他们的QB方案显示出很长的无线充电范围，在整个系统的能谱中形成两个束缚态（QB充电器环境）起着至关重要的作用

Jun Hong教授补充道：“我们工作的一个重要信息是，波导青睐的量子互连为我们提供了一种有用的方法来克服QB实际实现中的挑战。”

这提高了QB的有效性，并为更轻便、更薄的设备打开了大门，这也因其耐用性而脱颖而出

Jun Hong教授还强调，他们的设备是完全安全无害的，因为电磁场总是被限制在波导内，QB的能量存储不受电化学反应的影响，促进了无限的可重复使用性