科学家利用量子力学与拓扑学的独特性质，设计出一款拓扑量子电池，该电池可高效充电且无能量损耗。

他们的研究表明，长久以来被视为有害的耗散现象，实际上或许能提升这些新一代电池的效能。

储能技术的飞跃性进展

日本理研量子计算中心与华中科技大学科学家携手，构建出全新理论模型，阐释了如何设计出高效能的“拓扑量子电池”。该构想将光子波导的拓扑特性与二能级原子的量子行为巧妙融合，打造出一款具备先进储能能力的装置。他们的研究成果发表于《物理评论快报》，研究表明，此类电池在纳米级储能、光量子通信及分布式量子计算网络等领域具有广阔的应用前景。

随着全球对可持续能源解决方案的关注度日益提升，研究人员正将目光投向能够提升能源效率的下一代技术。量子电池作为一种理论上的微型装置，有别于传统电池之处在于，它利用叠加、纠缠和相干性等量子效应来储存能量，而非通过化学反应。从理论上讲，相较于传统电池，量子电池具有显著优势，包括充电速度更快、容量更大，以及能量传输和提取效率更高。

现实世界中量子电池面临的障碍

尽管已有诸多创新提案，但量子电池至今尚未付诸实践。在涉及远程充电与不可避免能量损耗的现实条件下，这些系统面临着与退相干相关的挑战——退相干是指量子系统丧失纠缠与叠加等关键特性的过程，进而导致性能下降。依赖普通（非拓扑）波导的光子系统，因波导可能发生形变或弯曲，会遭受严重光子色散问题，致使存储效率降低。此外，环境耗散、随机噪声及结构缺陷等额外问题，亦会加剧能量损耗与系统的不稳定性。

为攻克这些长期存在的难题，研究团队在理论框架内运用解析与数值方法，探寻提升量子电池性能的新路径。通过借助拓扑特性（即材料在形变时仍能保持不变的特性），他们展示了如何实现长距离充电并避免能量损耗。出乎意料的是，研究人员发现，通常被视为对性能有害的能量耗散，在特定条件下竟能暂时提升量子电池的充电功率。

惊人优势：损耗亦可转化为动力增强

他们展示了拓扑量子电池在实际应用中具备可行性的几大关键优势。一项重要发现是，借助光子波导的拓扑特性，可实现近乎完美的能量传输。另一项显著发现是，当充电器与电池置于同一位置时，该系统会展现出仅局限于单一子晶格的抗耗散特性。

此外，研究团队还揭示，当能量耗散超过临界阈值时，充电功率会经历瞬时增强，这一发现打破了能量耗散总会阻碍性能表现的传统认知。

迈向量子能源革命

该研究的第一作者陆志光表示：“我们的研究从拓扑学角度提供了全新见解，并为高性能微储能器件的实现指明了方向。通过克服量子电池因长距离能量传输与耗散导致的实际性能局限，我们期望推动量子电池从理论向实际应用的加速转化。”

国际研究团队的通讯作者程尚表示：“展望未来，我们将继续致力于弥合理论研究与量子设备实际部署之间的鸿沟，引领我们长久以来所憧憬的量子时代的到来。”

参考文献：陆志光（Zhi-Guang Lu）、田国庆（Guoqing Tian）、吕新友（Xin-You Lü）与尚成（Cheng Shang）所著《拓扑量子电池》，发表于2025年5月6日《物理评论快报》（Physical Review Letters）。 DOI：10.1103/PhysRevLett.134.180401