深圳国际量子研究院联合南方科技大学团队实现多比特固态量子电池重要突破
近日，深圳国际量子研究院联合南方科技大学谭电、胡长康、俞大鹏院士团队在量子能源领域取得里程碑式进展，成功在超导量子处理器上构建可扩展固态量子电池体系，首次实验验证了量子充电优势。相关成果以封面文章形式发表于国际顶级物理学期刊《物理评论快报》，标志着量子电池技术从理论预测迈向实验验证的关键一步。随着量子计算与量子通信技术的飞速发展，如何为量子器件提供高效能量支持成为制约领域发展的核心问题。传统电池基于经典物理规律，其能量转换效率已接近材料极限，难以满足未来量子系统对能耗与速度的双重需求。量子电池作为新型储能体系，通过利用量子相干性、纠缠态及集体相互作用等量子资源，理论上可实现超越经典体系的"量子充电优势"，即通过量子效应加速能量传输并提升存储密度。然而，尽管2012年波兰科学家首次提出量子电池概念后，全球研究团队已提出数百种理论模型，但受限于实验平台与相互作用机制，这一优势始终未能获得实验证实。研究团队直面两大核心挑战：一是理论模型的可扩展性，二是实验实现的可行性。传统理论多依赖复杂的多体相互作用或长程耦合，这类机制在固态量子系统中极难精确控制。研究团队创新性地提出一维量子比特链模型，仅通过最近邻相互作用即可实现量子充电优势。该模型基于"双激发哈密顿量"设计，借鉴中性原子体系中的反阻塞机制，通过激发促进效应实现集体充电过程。这种设计既避免了复杂哈密顿量工程，又保持了量子系统的可扩展性，为实验验证铺平道路。在实验构建环节，团队选用超导transmon量子比特作为基础单元，成功搭建包含2至12个量子比特的电池阵列。通过精确调控微波脉冲序列，实现了对每个量子比特充电状态的独立控制。实验严格遵循"能量公平"原则，确保量子方案与经典方案消耗相同外部驱动能量，从而客观比较性能差异。测量数据显示，当电池单元数量超过6个时，量子体系的平均充电功率较经典方案提升23%，最大可提取能量增加19%。更关键的是，这种性能提升完全基于最近邻耦合，无需引入长程或多体相互作用，验证了理论模型的普适性。为揭示量子充电优势的微观机制，研究团队深入分析了系统动力学特性。通过测量二阶关联函数g(2)，发现其值持续大于1，表明量子比特间存在显著的激发促进效应。这与经典体系中的独立充电模式形成鲜明对比——在量子电池中，首个被激发的量子比特会通过相互作用降低邻近比特的激发阈值，形成类似多米诺骨牌的能量传递链。这种协同效应使得量子体系能够突破经典极限，实现能量积累的指数级加速。实验还观察到，随着电池规模扩大，量子相干性保持时间延长，进一步放大了集体充电优势。该成果在应用层面具有多重价值。首先，超导量子比特体系与现有量子计算平台高度兼容，为未来量子计算机的集成供电提供了可行方案。其次，实验验证的最近邻耦合机制简化了芯片设计复杂度，有利于大规模量子电池阵列的制造。更重要的是，研究揭示了量子激发协同效应在能量传输中的关键作用，为开发新型量子储能器件指明了方向。例如，通过优化量子比特排列方式或引入拓扑保护结构，可能进一步提升充电效率与稳定性。在技术实现层面，研究团队攻克了多项关键难题。超导量子比特的相干时间通常在微秒量级，而完整充电过程需精确控制在纳秒级脉冲序列内，这对时序控制精度提出极高要求。团队通过开发自适应反馈控制系统，将脉冲延迟误差控制在皮秒级，确保了实验数据的可靠性。此外，针对多比特系统的串扰问题，研究团队设计了动态解耦脉冲序列，有效隔离了邻近量子比特的相互作用，保障了集体充电效应的纯净性。这项研究得到广东省科技厅、深圳市科创局等单位资助，其意义超越了单一技术突破。作为首个在固态量子系统验证量子充电优势的实验，它重新定义了量子能源技术的可能性边界。随着量子比特数量的进一步增加，未来或可实现量子电池的模块化组合，构建出满足不同规模量子系统需求的能量供应网络。研究团队正探索将该技术应用于量子传感器、量子通信节点等场景，推动量子科技从实验室走向实际应用。当前，全球量子能源竞赛已进入白热化阶段。美国、欧洲、日本等国家和地区均布局了相关研究计划，但多数仍停留在理论或小规模实验阶段。深圳团队的工作不仅实现了技术领先，更建立了完整的理论-实验验证体系，为国际量子电池研究树立了新标杆。随着超导量子芯片技术的持续进步，量子电池有望在5-10年内实现初步应用，为第六代移动通信、量子云计算等领域提供革命性能源解决方案。该成果的发表，标志着我国在量子能源领域已占据国际前沿地位。研究团队采用的最近邻耦合方案，为全球研究者提供了可复制的技术路径，或将引发新一轮实验创新热潮。随着更多研究团队加入，量子电池的性能指标与应用场景将持续拓展，最终推动人类进入量子能源时代。
