近日，深圳国际量子研究院谭电、胡长康、俞大鹏院士团队在多比特固态量子电池研究中取得重要实验进展。研究团队在超导量子处理器上成功实现可扩展的固态量子电池， 并在实验上验证了量子充电优势。 相关成果以“Quantum Charging Advantage in Superconducting Solid-State Batteries”为题发表在国际顶级物理学期刊 Physical Review Letters 上， 并被选为封面文章。

随着量子计算与量子信息技术的快速发展，如何为未来量子器件提供高效、可扩展的能量存储与管理方案，正成为量子科技领域的重要前沿问题。 量子电池（Quantum Batteries, QBs）作为一种利用量子相干性、 纠缠和集体相互作用等量子资源实现高效储能的新型体系，被认为是支撑未来量子器件运行的重要基础单元。 然而，尽管理论上已预测量子电池能够实现超越经典电池的“量子充电优势”（Quantum Charging Advantage），这一优势的实验验证长期以来仍未实现。

研究团队围绕“如何在可扩展的固态量子计算平台上实现可验证的量子充电优势”这一关键科学问题，在理论和实验两个层面取得重要突破。长期以来，大多数量子电池理论模型依赖于多体、全局或长程相互作用，这在实验上极难实现，成为阻碍量子充电优势验证的核心瓶颈。 针对这一问题，研究团队首次在理论上提出在一维量子比特链模型中仅依赖最近邻相互作用，即可实现真正意义上的量子充电优势。不同于以往需要复杂哈密顿量工程的方案，该模型基于一种“双激发哈密顿量”，通过类似于中性原子和里德堡原子体系中“反阻塞（anti-blockade）”机制的激发促进效应，实现集体量子充电过程。在实验方面，研究团队基于超导 transmon 量子比特一维链，成功构建了一个可扩展的固态量子电池体系，并首次在该平台上验证了量子充电优势。 研究团队在实验上构建了由N=2 扩展至 N=12 个量子比特组成的电池单元，系统地测量了最大可提取能量（ergotropy），以及平均充电功率随电池规模变化。 实验设计严格遵循了“能量公平”原则，即在确保量子方案与经典方案消耗相同外部驱动能量的前提下进行性能评估。 研究结果显示，随着电池单元数量增加，系统实现了从 “能量驱动” 向 “量子充电优势”的转变，证明量子效应能够带来经典体系无法达到的性能提升。 值得强调的是，这一实验完全不依赖长程或多体相互作用，仅使用最近邻耦合，验证了理论预测的可行性，展示了固态超导量子芯片平台在能量存储技术方面的潜在应用。

为了进一步揭示量子充电优势的物理机制，研究团队测量了系统的二阶关联函数 g(2)。实验结果显示 g(2) > 1，表明体系存在激发促进效应。这一结果从微观动力学角度解释了量子充电优势的来源，揭示其并非简单的能量积累，而是源自量子激发之间的协同增强过程。

在该研究工作中，胡长康、刘炽隆为论文共同第一作者。 谭电、 Alan C. Santos为通讯作者。俞大鹏院士为最后作者。其他重要合作者包括刘松、Marcelo S. Sarandy等。该研究得到了广东省科技厅、深圳市科创局、国家自然科学基金委、合肥国家实验室等单位的大力支持。