鋰電池的缺點：充電慢
隨著手機等行動裝置的普及以及新能源交通工具的興起，我們的生活已經離不開充電電池。
從技術上講，任何可以儲存能量的東西，從兒童玩具內的發條到高山上的水庫，都可稱之為「電池」。然而，對我們大多數人來說，「電池」這個詞特指的是電化學電池(透過電化學的原理制造的電池)，要麽是免洗的，要麽是可反復充電的。這種電池在充滿電的時候，電子和離子被強行從電極上分離，以此儲存能量。當你開啟用電裝置，帶電粒子就流動起來，以電力的形式釋放它們儲存的能量。
目前套用最廣的充電電池是鋰電池。鋰電池的優勢在於其相對較高的容量和壽命，這為它的開發者贏得了2019年的諾貝爾化學獎。但它的缺點也是很明顯的，就是充電速度慢。手機充一次電至少要二三十分鐘，電動汽車或電動自由車更是一充就要幾個小時，有時候真是急死人。但如果充電過快，鋰離子就會不可逆地吸附在陽極上，導致效能下降，隨著時間的推移甚至可能爆炸。
雖然經過這些年的改進，鋰電池的充電時間在縮短，但受限於其電化學的工作原理，要大振幅縮短，恐怕不切實際。
但是，正如借助於量子的怪異行為，量子電腦能幾分鐘內就解決傳統電腦幾年才能解決的問題，在縮短充電時間的問題上，量子電池或許也能幫我們一把，瞬間充電不是遙遠的夢想。
傳統電池無關乎量子物理
「量子電池」的概念是10年前由波蘭的勞勃·阿利基和比利時的馬克·範尼斯首次提出來的，但最初不是為了解決「鋰電池充電慢」這個問題。作為理論物理學家，他們感興趣的是這種電池的基本概念是否能闡明一個困擾了幾代物理學家的大問題：我們知道，宏觀物體是由微觀粒子組成的，但為什麽單個(或者少數)微觀粒子的行為與宏觀物體的行為大不一樣，前者服從詭異的量子規律，後者卻服從直觀的經典規律(如牛頓力學)?從微觀的「量子世界」到宏觀的「經典世界」到底是怎麽過渡的?
實驗室第一個以有機染料的分子做量子位元的量子電池模型
量子世界在本質上是怪異的、難以理解的。在沒有觀察的情況下，單個的粒子不再具有明確的內容(如位置、動量、能量、自旋等)。相反，它可以同時在這裏又在那裏，在這個狀態又在那個狀態，我們稱這種狀態為「疊加態」。它還可以與其他粒子協同行動，改變一個粒子的狀態會瞬間影響到另一個粒子的狀態，哪怕兩者在距離上相隔非常遙遠，這種現象被稱為「量子纏結」。
不過，對於開發傳統電池的科學家來說，這一切都不關他們的事。因為傳統電池一次充電就涉及100億個或更多電子的移動，這是一種宏觀行為，不必涉及高深的量子物理，經典物理學中研究大規模粒子集體內容(如熱、能量和功)的學科——熱力學，就足夠描述。
熱力學在描述由大量微觀物體組成的系統的宏觀內容方面取得了巨大的成功。它取得成功的關鍵在於它對單個粒子的行為不敏感，它處理的是由大量粒子組成的系統，所以取平均數就足矣。譬如，溫度就只跟大量分子運動的平均速率有關，與單個分子運動的速率無關。所以一個分子的運動，無法顯示環境的溫度。
然而，近年來，理論家們想知道，如果熱力學定律被用於服從量子規律的單個粒子是否仍然有效。他們相信，如果回答了這個問題，可能有助於闡明「量子世界是如何向經典世界過渡的」這個問題。對阿利基和範尼斯來說，要回答這個問題，沒有比一個儲存有一定能量的量子系統更合適的研究物件了。於是，他倆著手設計一種基於量子規則的電池。
量子電池在容量上沒有優勢
從表面上看，量子電池與普通電池沒什麽不同。就像水壩底部的水，它由喜歡以低能量狀態存在的微觀物體組成，但它可以被強行置於高能量狀態，直到它需要為別的裝置提供能量。組成量子電池的，可以是電子、離子、中性原子或光子，它們是量子物體，可以同時以不同狀態疊加的形式而存在。在這裏，我們借用量子電腦的術語「量子位元」來描述它們。
什麽是量子位元呢?我們知道，在電腦科學中，0或1代表1位元。但如果有一個量子態，不測量的時候，它可以處於0和1的任意疊加態，只有在測量時，它才會選擇以0或1確定地呈現給我們，我們就說它代表1量子位元。因為1位元只包含0或1兩種確定的狀態，而1量子位元不僅包括0或1兩種確定的狀態，也包括0和1以任意機率疊加的狀態(比如50%的機率是0，50%的機率是1，或者80%的機率是0，20%的機率是1，如此等等)，所以不難理解，1量子位元所包含的狀態比1位元包含的狀態要多得多。
對於量子電池而言，量子位元是由什麽構成的並不重要，重要的是它們能夠被精確操縱，以產生量子纏結——在這種情況下，至少有兩個量子位元之間存在著不可分割的聯系。
阿利基和範尼斯想知道，同樣一個儲能系統(相當於一個電池)，在發生量子纏結(量子電池)和沒發生量子纏結(傳統電池)的情況下，我們能從中提取的能量是否相同?2013年，他們計算表明，當系統比較小，只有少量量子位元的時候，有纏結和沒纏結兩種情況差異確實比較大;然而，隨著系統增大，越來越多的量子位元發生纏結，兩者的情況就漸趨一致了。
換句話說，大的系統量子纏結越多，效果上反而越跟沒發生任何量子纏結時一樣。因為現實中可套用的電池系統都是包含大量粒子的系統，這意味著，就電容量而言，量子電池並不比傳統電池具有更多的優勢。
量子纏結提高電池的充電速度
量子電池雖然不能提高電池的容量，然而2015年，澳洲物理學家卡凡·莫迪卻證明，量子纏結可以提高電池的充電速度。
為什麽會這樣?讓我們深入了解量子行為的奧秘。當一個經典電池充電時，它實際上就是從低能量狀態「旅行」到高能量狀態。想想看，這就像一個騎自由車的人沿著一條直路從A地騎到B地。在只有一個量子位元的量子電池中，情況也是如此。但是，將第二個量子位元與第一個量子位元纏結在一起，就會出現一條捷徑。你或許會問：從A地到B地已經是直線了，怎麽還會有捷徑呢?原來呀，經典物理學中的捷徑都是假象，就好比你從地圖上看，從A地到B地是一條直線，當你實際去走的時候卻發現，這條直線穿越了很多高山，你須得隨著地勢上上下下，爬過無數的山丘和山谷才能到達，而這就拖慢了你的行程。
而兩個量子位元纏結起來，協同工作，就能夠為你提供更快捷的路徑。為什麽會這樣呢?這涉及關於量子纏結的一個神秘話題：量子纏結的本質是什麽?
量子纏結是一種非常詭異的現象，兩個發生纏結的粒子，哪怕相隔非常遙遠，對其中一個操作，也能瞬間影響到另一個粒子，其影響速度超過了光速。對於這個現象，一種解釋是，量子纏結開啟了額外的維度，因為只有透過額外的維度，才有超光速的可能。譬如，一只螞蟻從一口碗的外面爬進裏面，它必須沿著碗面爬，繞一個很大的彎子，它的速度無論如何都不會快;但如果碗底有一個洞，它從洞直接鉆進去，就能省很多時間，讓我們以為它的速度很快。洞相當於為它開啟了一個額外的維度。
當然，額外維度是否存在，在物理學上還是一件有爭議的事情。沒有人知道我們在理解量子纏結時引入的「額外維度」是代表一個物理現實，還是說，這只是一種數學方法。這裏可以舉個例子區別什麽是「物理現實」，什麽是「數學方法」。譬如，飛機在天空中畫出一條軌跡線，我們認為這是物理現實。但我們也可以用一條曲線畫出股票漲落的行情，這就不是物理事實，僅是一種數學方法了，因為現實中並不存在一條股票運動的曲線。對於「額外維度」，物理學家現在所知道的是，它在計算上是有效的。超級強大的量子電腦，超級安全的量子通訊，超級敏感的量子探測器，所有這些技術都涉及類似的高維數學，並且已經被實驗證明。
那麽，我們姑且采用這種解釋接下去說。當兩個量子位元纏結，開啟了一個額外的維度，為我們提供了一條捷徑;每纏結上一個新的量子位元，就開啟一個新的維度，新的維度為我們提供了一條從低能態到高能態的更快捷的路徑。
所以，量子電池的充電時間與纏結的量子位元的數量成反比。假設一個量子位元需要一個小時來充電，那麽6個量子位元可以在10分鐘內完成充電。電池容量越大，充電反而越快。原則上，未來的量子電池可以迅速充電，以至於操作幾乎瞬間完成。對於電動汽車來說，只要從一個充電站透過，你甚至不需要停車。
量子電腦可作量子電池用
2022年1月，澳洲阿德雷德大學的詹姆士·奎奇等人透過實驗證實了量子電池的優勢。他們的量子位元是一種有機染料的分子，大約有100億個，其中部份分子發生了量子纏結;每個分子都有一個低能態和一個高能態，低能態吸收光子，就跳到高能態。實驗者將這些分子放置在兩面小鏡子之間的空腔中，用雷射來回照射它們。分子吸收光子，從低能態跳到高能態，這等於把光子的能量儲存到分子上，相當於給廣義上的電池充電。他們發現，整個系統吸收光子的速度，遠遠超過了單個分子在沒有任何量子纏結的情況下吸收光子的速度。
在這個量子電池中，儲存的實際上是光子。為了將光轉換為電，他們還需要以某種方式加入一個導電層，這樣才能使它成為真正的電池。不過遺憾的是，這個量子電池即使在充滿「電」的情況下，所能提供的「電量」也只有一節普通AA電池電量的十億分之一。所以，奎奇對於量子電池能否擴大到實際套用表示懷疑。
量子電池的另一個難題是量子纏結狀態在現實中是一種很難保持的狀態，需要跟周圍環境高度隔離，否則很容易遭到環境的幹擾而崩潰。
總之，量子電池要想得到實際套用，還有很長一段路要走。不過，好訊息是，最近一位義大利物理學家指出，由於量子電腦和量子電池都是由量子位元構建的，一台量子電腦其實就可以當作量子電池，而且就像把冰箱當作儲物櫃使，這屬於降檔使用。所以量子電腦研究上取得的任何進展，都將為量子電池的套用帶來曙光。
