量子電池如何充電？打破因果關係帶來新革命

作者 Daisy Chuang 發布日期 2023 年 12 月 25 日

首圖來源：東京大學

「杯子落地摔碎，因此在掉落前不會裂」，這種現實的因果關係，在量子世界可能不一定通用，日本科學家現在透過「無限因果順序（ indefinite causal order ，ICO）」的量子效應，為量子電池充電。

量子力學是描述微觀物質（原子、次原子粒子）行為的物理學理論，研究作者之一 Yuanbo Chen 表示，目前常見的鋰離子電池，是用鋰等化學物質來儲存電荷，量子電池則使用原子陣列等微觀粒子。量子電池也可以說是由悖論提供動力，其工作原理是在原子和分子的量子態中儲存能量。

東京大學研究發現，量子電池能透過違反因果關係來運作。團隊指出，玻璃杯掉落（事件 A）會導致杯子破碎（事件 B），我們無法顛倒這倆事件的因果關係，但在量子物理學的幽靈領域（spooky realm），這並不適用，且可以將這一悖論融入量子電池中，提高電池效率。

東京大學科學家使用雷射、透鏡和鏡子為大型量子電池進行實驗室實驗。為這些電池充電通常需要多個充電步驟，但團隊利用無限因果順序量子效應（ICO）。將系統帶入量子疊加態，因果順序可以同時存在於兩個方向，允許多個充電步驟同時一起工作，而不是一一照順序。

Chen 表示，藉由 ICO 效應，我們證明量子粒子電池充電的方式，會大大地影響性能，團隊發現系統中儲存的能量和熱效率都顯著增加。且有點違背直覺的是，我們發現，與其使用相對較高功率充電器，較低功率充電器可以提供更高的能量和效率。

就如同大眾對量子電腦的期待，團隊相信量子電池有一天可能會成為現實。但目前進展只到實驗室階段，科學家還在慢慢測試量子電池的不同面向，最終目標是弄清楚如何將各個部分組合成一個可以運作的設備。