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科学家提出了使用波导的量子电池的新方案
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科学家提出了使用波导的量子电池的新方案
诸平
据物理学家组织网（Phys.org）2024年3月7日报道，中国科学家提出了使用波导的量子电池的新方案（Scientists propose new scheme for the quantum battery using waveguides）。
中国兰州大学（Lanzhou University, Lanzhou, China）和湖北大学（Hubei University, Wuhan, China）研究人员的一项新研究，提出了一种基于矩形空心金属波导（rectangular hollow metal waveguide）的量子电池(quantum battery简称QB)充电方案。这种方法使他们能够克服环境引起的退相干（environment-induced decoherence）和充电距离限制（charging distance limitations）。相关研究结果于2024年2月27日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Wan-Lu Song, Hai-Bin Liu, Bin Zhou, Wan-Li Yang, Jun-Hong An. Remote Charging and Degradation Suppression for the Quantum Battery. Physical Review Letters, 2024, 132: 090401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.090401. Published 27 February 2024. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2308.13784.
参与此项研究的除了来自兰州大学和湖北大学的研究人员之外，还有来自中国科学院精密测量科学技术创新研究院（Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, China）的研究人员。
电池的需求和供应持续增长，重点是提高能量储存、寿命和充电能力。在这方面，科学家们正在开发利用量子力学原理来储存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，克服经典物理的限制，从而实现比经典同行更强的充电功率，更高的充电容量和更大的功提取。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量子电池（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。
谈到团队探索量子电池的动机，该研究的主要作者，来自中国兰州大学的安钧鸿（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的实际性能面临的另一个挑战是充电效率低，这是由于QB与充电器之间的相干相互作用很脆弱。我们想要克服这些挑战。”
量子电池和波导（Quantum battery and waveguides）
QB模型基于2个二能级系统(two-level systems简称TLSs)，它们是具有2个不同能级的系统。这些能级通常表示为基态（ground state）和激发态（excited state）。
一个系统是电池本身，另一个是充电器。这些TLSs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。TLSs通过与其他TLSs或外部场建立相干耦合来充电。
在QB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。这些相干的相互作用是脆弱的，并引入退相干到这些系统中。
“任何量子系统都不能绝对地与外部环境隔离，这不可避免地会给系统带来不必要的退相干，”安钧鸿教授解释说。
这些模型通过充电器- QB直接交互来实现充电。然而，这种关系受到两者之间距离的影响，导致充电效率下降。为了克服这一问题和退相干问题，研究人员引入了矩形空心波导（rectangular hollow waveguides）。波导是一种沿着特定路径引导波(通常是电磁波)的结构。它作为波的管道，限制和指导它们以一种可控的方式传播。
“矩形空心金属波导用于收集和引导电磁场，以调解QB和充电器之间的能量传递，”安钧鸿教授说。
能量转移本身在2个TLSs之间没有直接接触的情况下发生，为QB充电过程引入了一种新的方法。
量子化相互作用（Quantized interactions）
研究人员的模型依赖于电磁场与波导内物质之间的量子化相互作用。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内传播和相互作用的参数。
最初，这个电磁场处于真空状态，这意味着在它的模式中没有光子。同时，QB处于基态，充电器处于激发态。
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一个激发，导致电磁场具有无限模式(或可能的配置)。光子随后被QB吸收，QB跃迁到激发态。
虽然在电磁场中拥有无限模式通常会导致量子系统中的退相干，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，并且与预期相反，促进了相干QB-充电器的能量交换。
“我们的工作揭示了一种机制，通过无限模式电磁场的中介作用，使QB-充电器的能量交换发生。”安钧鸿教授解释说。
充电动力学及未来工作（Charging dynamics and future work）
系统中的退相干不会导致QB老化的意外发现与普遍的看法相矛盾。相反，研究人员指出，在充电器和QB直接相互作用的情况下，能量交换是一个理想的充电过程。此外，他们的QB方案显示了无线充电的长范围，在总系统(QB-充电器-环境)能谱中两种束缚态的形成起着至关重要的作用。
“我们工作的一个关键信息是，波导所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，”安钧鸿教授补充道。
这提高了QB的有效性，并为更轻、更薄的设备打开了大门，更方便，这也因其耐用性而脱颖而出。安钧鸿教授还强调，他们的器件完全安全无害，因为电磁场（electromagnetic field）总是局限在波导内，QB的能量存储（QB's energy storage），没有电化学反应，促进了无限的可重复使用，而不会污染环境。研究人员的下一步是扩大他们的QB方案。
安钧鸿教授总结道：“更具体地说，我们计划开发一种以远程无线充电方式工作的多体QB模型。这可以使我们有效地结合量子纠缠的优势，提高充电功率，充电容量，以及远程充电和抗老化QB的可提取工作。”
上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。
The quantum battery (QB) makes use of quantum effects to store and supply energy, which may outperform its classical counterpart. However, there are two challenges in this field. One is that the environment-induced decoherence causes the energy loss and aging of the QB, the other is that the decreasing of the charger-QB coupling strength with increasing their distance makes the charging of the QB become inefficient. Here, we propose a QB scheme to realize a remote charging via coupling the QB and the charger to a rectangular hollow metal waveguide. It is found that an ideal charging is realized as long as two bound states are formed in the energy spectrum of the total system consisting of the QB, the charger, and the electromagnetic environment in the waveguide. Using the constructive role of the decoherence, our QB is immune to the aging. Additionally, without resorting to the direct charger-QB interaction, our scheme works in a way of long-range and wireless-like charging. Effectively overcoming the two challenges, our result supplies an insightful guideline to the practical realization of the QB by reservoir engineering.
https://wap.sciencenet.cn/blog-212210-1424578.html
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