2026年9月28日——新研究确定了量子电池可靠性的基本极限，并展示了充电策略如何在高功率与稳定的能量和功率输出之间取得平衡。这些发现代表着朝着未来开发实用且有用的量子储能设备迈出了重要一步。

量子不确定性在量子电池中构成了一种基本权衡，限制了其同时提供稳定功率和可靠能量的能力。

量子电池是一个新兴研究领域，相关进展来自理论研究以及小型量子系统中的原理验证实验。与日常生活中使用的传统化学电池不同，量子电池利用量子系统来存储和传递能量。人们正在探索将其作为量子处理器及其他量子技术未来潜在能源的可能性。此前的研究主要关注量子电池能够以多快速度和多大功率充电。

在这项新研究中，研究人员确立了量子电池所输出能量及其输出速率波动的基本极限。这项题为 Fundamental Limitations on the Reliabilities of Power and Work in Quantum Batteries 的工作新近发表于 PRX Quantum。

“理想情况下，量子电池不仅应该快速且强大，还需要能够同时以可靠而稳定的方式充电或输出能量。我们的工作表明，量子力学对量子电池的可靠性施加了基本限制，”该研究第一作者、奥卢大学博士后研究员 Brij Mohan 说道。

研究人员表明，著名的量子力学不确定性关系使得输出能量和功率的波动无法同时被任意减小，这意味着可靠的能量输出和稳定的功率无法同时实现。在此语境下，可靠性和稳定性意味着使这些波动相对于各自的平均值保持较小。这一基本权衡之所以出现，是因为在封闭量子电池中，功和功率由非对易算符表示，就像量子力学中的位置和动量一样。 

随后，该团队研究了这种权衡如何取决于多个量子电池单元的充电方式。在并行充电中，各单元独立运行。在集体充电中，所有单元共同参与。混合充电介于这两种极端之间，充电时各组单元之间存在相互作用。结果表明，更强的集体充电会提高功率，但也会增大功率波动，从而降低功率可靠性。这表明，仅凭最大功率不足以评估量子电池性能。

“我们的结果表明，存在一种有意义的方式来平衡功率提升与功和功率的可靠性。基于中程相互作用的充电方案可以在高功率与稳定运行之间提供有用的折中，”芬兰埃斯波 VTT 的 Tanmoy Pandit 说道。

研究人员还考察了具有横向 Ising 型多体相互作用的量子电池，并发现了定性相同的功率—可靠性权衡，这表明该效应并不局限于最简单的理论模型。“这些可靠性极限以直接的方式将量子涨落与多体量子物理联系起来。它们提供了具有实际优势的有用充电策略，”印度 IISER Mohali 的 Manabendra Nath Bera 说道。

“量子电池在量子信息、热力学和多体物理之间提供了一种引人入胜的联系。如果这些系统最终要成为有用的技术资源，理解其涨落至关重要，”西班牙 ICFO 的 Maciej Lewenstein 说道。

研究人员接下来的目标是研究更现实环境中的可靠性极限，包括噪声、耗散、开放系统动力学以及与实验相关的量子平台。

量子电池是奥卢大学 Nano and Molecular Systems Research Unit 围绕超导量子比特和量子处理器等量子设备的建模与理论所开展的长期研究的延续。

奥卢大学 是一所国际性科学大学，通过研究和教育为未来创造新知识、福祉和创新。奥卢大学是芬兰规模最大、学科最多元化的大学之一，位列全球大学前 3%。 该校的媒体服务。