量子時代的能源革命：全球首個全周期量子電池原型問世

在宏觀世界中，電池的大小與充電時間成正比。然而，在微觀量子力學的疆域里，物理法則卻會發生令人驚嘆的逆轉：電池越大，充電反而更快了。

3 月 18 日，由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）、墨爾本皇家理工大學（RMIT）以及墨爾本大學組成的聯合研究團隊宣布，他們成功研發并演示了世界上首個能夠完成“充-存-放”全周期循環的量子電池原型。這一突破不僅挑戰了我們對能量存儲的直覺認知，更標志著量子超吸效應正式從理論走進實驗室原型。相關研究已發表于《自然》旗下的《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）。

圖 | 全球首個完全功能概念驗證量子電池（來源：CSRIO）

范式轉移：從化學反應到量子力學

自 2013 年量子電池作為理論概念被首次提出以來，科學界一直寄希望于利用量子力學的獨特性質來重塑能源存儲系統。

與依賴電化學反應的傳統鋰離子電池不同，量子電池的運行邏輯建立在量子疊加、糾纏及“集體效應”（Collective Effects）之上。其理論根源可追溯至物理學家羅伯特·迪克（Robert Dicke）提出的“超輻射”（Superradiance）概念。

傳統的化學電池充電時，每個活性單元（如鋰離子）是獨立進行反應的，電荷的存儲是一個準線性的過程。隨著規模（電池單元數量）的增大，由于內阻和熱效應，其充電時間往往會隨之增加。這也是為什么手機充電需要 30 分鐘，而電動汽車通常需要數小時甚至一夜。

量子電池則利用了“超吸收”現象，這是超輻射的逆過程。當大量量子比特（或分子激子）處于糾纏態或相干疊加態時，它們會作為一個整體與電磁場耦合，允許所有單元通過量子相干性同時吸取能量。根據迪克模型，這種相干耦合會導致轉換速率隨單元數量非線性增長。在理想的量子電池中，充電功率與單元數量的平方成正比，傳統電池僅與單元數量本身成正比。

隨著量子電池規模的擴大，量子電池會展現出一種完全相反且“違背直覺”的特性：規模越大，充電反而越快。這一原理在實驗中得到了驗證：隨著量子電池規模的擴大，充電功率呈非線性增長。一個大型量子電池陣列的充電速度將遠超其組成單元的簡單疊加，理論上可以實現“瞬時充電”。

結構解析：有機微腔與激光補能

早在 2022 年，量子電池研究負責人詹姆斯·夸奇（James Quach）博士就帶領團隊在《科學進展》（Science Advances）上發表研究，首次證明了量子電池的充電速度。但當時的設備僅能展示充電過程，能量一旦捕獲就會迅速衰減，且無法按需釋放。

為突破瓶頸，實現能量的“充電-存儲-放電”全循環，研究人員設計了一種具有多層結構的有機微腔（Organic Microcavity）。電池內部包含特定的光活性材料：摻雜在聚乙烯醇（PVA）基質中的半導體有機染料分子，這些分子具有極高的振子強度。

圖 | CSIRO 原型量子電池工程的清潔實驗室（來源：CSIRO）

活性材料層被夾在兩層分布式布拉格反射鏡（DBR）之間。這兩個高反射率鏡面形成了一個光學微腔，將光子限制在極小的空間內。當微腔的諧振頻率與分子的激子躍遷頻率匹配時，系統即可進入“強耦合”態。光子與激子不斷交換能量，形成一種名為激子極化子（Exciton-polariton）的準粒子。這種狀態是實現超吸收并存儲能量的關鍵。

接下來是實現有效放電的關鍵過程：研究人員引入了飛秒級別的超短脈沖激光，其作為能量源照射微腔光子與腔內的激子發生強耦合，從而實現能量捕獲。通過調制微腔的品質因子或利用特定的能級躍遷路徑，團隊首次演示了能量在存儲后的受控釋放，完成從電磁能到激子能再到電磁能的完整轉化。

實驗數據顯示，該原型的充電過程僅需飛秒（Femtoseconds，千萬億分之一秒）級別。更為關鍵的突破在于存儲時間的延長。研究團隊通過先進的波譜技術確認，該原型存儲能量的時間已達到納秒（10^-9s）級別，盡管納秒在人類感知中轉瞬即逝，但從物理尺度上看，存儲時間比充電時間長了 100 萬倍。夸克博士解釋稱，如果以一個充電 1 分鐘的電池為例，6 個數量級的差距意味著它可以保持電量長達兩年。

圖 | 量子電池研究負責人 James Quach（來源：CSRIO）

從微觀原型到宏觀愿景

了驗證量子效應的真實性，團隊使用了超快飛秒瞬態吸收光譜（Transient Absorption Spectroscopy）技術，成功觀察到激子極化子能級的布居數變化，證實了充電速率隨分子密度增加而提升的“超吸收”特征。

至于能量容量，目前該原型的儲能容量僅為幾十億電子伏特（eV），尚不足以驅動任何實用的電子設備，但其科學意義非凡。昆士蘭大學量子技術實驗室主任安德魯·懷特（Andrew White）教授評價道：“這項工作證明了量子電池不僅僅是一個想法，它現在是一個可以運作的原型。”

此外，該電池最顯著的技術優勢是實現了室溫運行。傳統量子設備往往需要液氦冷卻，在極低溫條件下才能運行，而其有機微腔結構通過激子極化子的穩定性，克服了熱噪聲對相干性的破壞。

量子電池的問世將開啟能源存儲的新紀元。未來，這種超級充電池的應用領域包括但不限于：量子計算：量子處理器需要在極短時間內獲得極其精準、低損耗的能量供應，量子電池的相干放電特性與之天然匹配；遠程與動態補能：利用激光無線充電的特性，無人機或衛星可在飛行中通過地面激光站實現“瞬間閃充”；下一代消費電子與 EV：隨著技術的成熟，未來大規模量子電池組理論上可實現“秒級”充滿一輛電動汽車，徹底消除續航焦慮。

面向未來的挑戰

CSIRO 及其合作伙伴坦言，量子電池商業化仍有很長的路要走。接下來的研發重點將集中在以下幾個方面。

首先，盡管“充-放”邏輯已跑通，但退相干（Decoherence）仍是最大的敵人。如何防止量子態在長時間存儲中因與外界環境相互作用而崩潰，是下一步研究的核心。只有使存儲時間從納秒級別提升到秒、分鐘乃至小時級別，量子電池才能真正具備實際使用價值。此外，擴大能量容量，即將微觀的量子效應擴展到宏觀規模的能量密度，也需要從材料學角度尋找更優質的量子增益介質。

詹姆斯博士總結道：“我們正處于量子能源解決方案的起步階段。雖然還有很多難題需要攻克，但這一原型為未來高效、瞬時的能源存儲奠定了基礎。”目前，CSIRO 已開始尋求潛在的工業開發合作伙伴，以加速這一技術的迭代。

參考資料：

https://www.theguardian.com/science/2026/mar/18/world-first-quantum-battery-australian-scientists-say

https://www.csiro.au/en/news/All/News/2026/March/Quantum-battery-full-cycle

https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2026/mar/quantum-battery-prototype

https://english.news.cn/asiapacific/20260318/ad814fe2b1334cb08c151cdc0c55ff64/c.html

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02240-6

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3160

https://doi.org/10.1103/PhysRevE.87.042123 (arXiv:1211.1209)

排版：劉雅坤