量子技术，即通过构建和操纵量子力学系统获得的技术设备，正在成为现实。最突出的例子是量子计算机，它的信息单位被量子力学对应物（量子比特）所取代。与经典计算机相反，量子计算机承诺使用量子比特的全部量子力学特性，以解决使用经典计算机无法解决的计算问题。例如，加拿大公司 Xanadu 最近声称其量子计算机能够在 36 微秒内解决使用最先进的超级计算机需要 9000 年的计算任务。
量子技术需要能量才能运行。在过去的十年里，这种简单的考虑导致研究人员发展了量子电池的想法，这是一种用作能量存储设备的量子力学系统。最近，韩国基础科学研究所(IBS) 复杂系统理论物理中心 (PCS) 的研究人员对量子电池的可能充电性能进行了严格的限制。具体来说，他们表明，与经典充电协议相比，量子电池的集合可以极大地提高充电速度。这要归功于量子效应，它允许量子电池中的电池同时充电。
尽管取得了这些理论成果，但量子电池的实验实现仍然很匮乏。最近唯一值得注意的反例使用了一组两能级系统用于能量存储，能量由电磁场（激光）提供。
鉴于目前的情况，寻找可用作量子电池的新的、更易于使用的量子平台显然至关重要。基于这一动机，来自同一 IBS PCS 团队的研究人员与 Giuliano Benenti（意大利因苏布里亚大学）合作，最近决定重新审视过去已被大量研究的量子力学系统：micromaser。micromaser是一种用原子束将光子泵入空腔的系统。简而言之，micromaser可以被认为是上述量子电池实验模型的一种配置：能量存储在电磁场中，由与其顺序交互的量子比特流充电。
图：两个“量子电话”的例子，都由基于电磁场的量子电池充电。左侧，不使用微脉塞方法的充电协议会导致电池充电不受控制，并可能造成损坏。右侧，基于微脉塞的充电协议能够自行控制存入量子电话的电荷量。
IBS PCS 研究人员和他们的合作者表明，micromaser具有使其能够作为量子电池的优秀模型的特性。尝试使用电磁场存储能量时的主要问题之一是，原则上，电磁场可以吸收大量能量，可能远远超过所需能量。用一个简单的案例来类比，这就相当于一个手机电池，当插入电源时，它会无限期地继续增加其电量。在这种情况下，忘记手机已插入电源可能会带来极大的风险，因为没有机制可以停止充电。
幸运的是，该团队的数值结果表明这不会发生在微脉泽中。电磁场迅速达到最终配置（技术上称为稳定状态），其能量可以在构建微脉泽时预先地确定和决定。此属性这一特性可确保防止过度充电的风险。
此外，研究人员表明，电磁场的最终配置处于纯态，这意味着它不会对充电期间使用过的量子比特带来记忆。在处理量子电池时，这一特性尤其重要。它可以确保在必要时提取和使用电池中存储的所有能量，而无需跟踪充电过程中使用的量子比特。
最后，结果表明，这些吸引人的特征是鲁棒的，不会因改变本研究中定义的特定参数而被破坏。在尝试构建实际的量子电池时，这一特性非常重要，因为构建过程中的缺陷是不可避免的。
有趣的是，在一系列平行的论文中，Stefan Nimmrichter 和他的合作者已经证明，量子效应可以使micromaser的充电过程比经典充电更快。换句话说，他们已经能够证明在微脉泽电池充电期间显示出前面提到的量子优势。
所有这些结果表明，micromaser可以被认为是一个很有前途的新平台，可用于构建量子电池。这一事实可能会极大地推动构建新的可访问的量子电池原型。
为此，IBS PCS 研究人员和 Giuliano Benenti 目前正在开始与 Stefan Nimmrichter 及其合作者开展联合合作，以进一步探索这些有前途的模型。希望这项新的研究合作最终能够对基于微脉塞的量子电池设备的性能进行基准测试和实验测试。
---煤油灯科技victorlamp.com翻译整理---
