什麼是量子電池?充電有多快?離商業化有多遠?解析量子物理如何顛覆電池技術
什麼是量子電池?充電有多快?離商業化有多遠?解析量子物理如何顛覆電池技術

現代電池在其224年的歷史中已經取得了長足的進步。從亞歷山德羅·伏特(Alessandro Volta)堆疊的金屬圓盤和浸泡鹽水的布料,發展到如今我們擁有像全麥餅乾大小、可持續使用數天的電池。

但目前市場上這些設備的極限在哪裡?要突破這個極限需要克服哪些技術挑戰,何時能克服這些障礙?能源儲存的未來是什麼?

全球少數科學家正在研究一個答案: 一種利用量子物理學而非經典物理學定律來儲存電荷的電池技術。 這是一條漫長的路,但羅馬不是一天建成的,當然也不是一天就能供電的。

基本且備受喜愛的電池

電池是一種利用化學反應產生電能的技術。家用電池透過電流在電路中的流動產生電能。幾個世紀以來,人們開發了不同的電池;班傑明·富蘭克林(Benjamin Franklin)被認為在1749年的一封信中創造了「電瓶」(electrical battery)一詞,他在信的結尾幽默地描述了電力的奇妙之處:

一隻火雞將被電擊殺死,作為我們的晚餐;然後在由電瓶點燃的火前,用電烤架烤熟;屆時,我們將在電槍的轟鳴聲中,用電杯暢飲,為英、法、德所有著名的電學家們的健康乾杯。

快轉到幾種不同的電池,大多以使用各種酸和金屬的化學反應開發它們的科學家命名,1859年,我們有了鉛酸電池,這是第一個能夠透過反轉電流來充電的電池。

在20世紀末,鋰離子電池開始流行,並一直保持至今,它使用鋰與其他金屬和磷酸鹽的不同組合。但在現代電池的整個歷史中,化學反應產生電能的基本原理沒有改變。

電池 battery
在現代電池的整個歷史中,化學反應產生電能的基本原理沒有改變。
圖/ ifanr

什麼是量子?它為何糾纏?

好了,忘掉電池吧。到底什麼是「量子」?

讓我們快速回顧一下量子物理學的大致內容。處於量子態的粒子,其運行規則與你周圍看到的一切事物完全不同,從雲中的水到血管中的血液都是如此。

粒子在極端條件下進入量子態:極低的溫度和真空。在這些條件下,粒子可以同時表現得像多種事物一樣,使它們可用於進行複雜的數學運算(如量子電腦)和檢查時間旅行(在某種意義上)是否可能。

量子系統還可以表現出糾纏,這是一種兩個或多個量子粒子定義彼此特徵的現象。在量子電腦中,陣列中的原子攜帶給定操作所需的訊息,就像普通電腦中的位元一樣。這些原子是量子位元,或稱量子位元。

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量子系統還可以表現出糾纏,這是一種兩個或多個量子粒子定義彼此特徵的現象。
圖/ ChatGPT(AI生成)

但量子操作很微妙。一旦量子系統中的任何值確定下來,操作就會瓦解。整個系統,例如陣列中的原子,就會回到經典狀態。

量子態可以持續很長時間。以時間晶體為例,這是一種2012年首次提出的物質狀態,今年早些時候,物理學家證明它可以持續至少40分鐘,比其他已知晶體長約1000萬倍。

這些晶體與量子電池相去甚遠,但展示了一些量子系統通常是多麼短暫,如果我們想要依賴這種狀態來獲取能量,這是一個需要解決的重要問題。

目前構想中的量子電池

與普通電池一樣,量子電池(正如人們想像的那樣)儲存能量。但相似之處僅此而已。與充電和消耗電池儲存能量的化學反應不同,量子電池由量子糾纏或更緊密連接電池及其來源的行為提供動力。

韓國首爾國立大學的量子研究員Ju-Yeon Gyhm在給科技媒體Gizmodo的電子郵件中表示:「量子電池由許多量子單元組成,這些單元就像一個大的量子電池。挑戰在於如何長期保持量子特性。」

由於量子電池和量子電腦具有相同的特性,要使該技術在研究環境之外成為現實,必須克服一個主要的技術挑戰: 物理學家必須弄清楚如何在最精心管理的研究環境之外保持量子系統的微妙狀態。 室溫超導體將是這樣的聖杯,但這些日子唯一宣稱有此發現的人,他們的工作在幾個月內就被揭穿了。

「平衡態下的熱力學並未對能量轉化為熱量和功的速度設限,」五位科學家最近在一次關於量子電池的研討會上寫道,該文目前發表在預印本伺服器arXiv上。「因此,在非平衡驅動的量子系統中尋求熱力學量子優勢似乎是很自然的。」

該小組接著指出,量子糾纏與能量在多體量子系統中儲存的速度有關,這一發現促使人們研究量子系統作為能量儲存裝置。

2018年,一個團隊對Dicke量子電池進行了建模,這是首個被提議存在於固態架構中的量子電池;2022年,一個團隊在實驗室環境下使用目標、鏡子和雷射光測試了一個基本的量子電池框架。

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量子電池示意圖;本圖由AI生成。
圖/ ChatGPT(AI生成)

最近的實驗正在探索這個問題

去年年底,一組量子研究人員提出了一個系統,透過這個系統,量子電池可以在無限因果順序(ICO)中充電。他們的研究結果發表在《物理評論快報》上,研究結果假設,具有ICO的充電系統可以超越傳統的充電協議。

東京大學研究員、該研究的主要作者Chen Yuanbo說:「粗略地說,ICO可以用來構建標準量子理論中不可能的量子過程,在標準量子理論中,因果順序必須是確定的,或者說是固定的。這種靈活性允許更廣泛的量子過程,其中一些可以顯示出優勢和有趣的特性。」

「我們看到系統中儲存的能量和熱效率都有巨大的增益。有點違背直覺的是,我們發現了一個與你預期相反的相互作用的驚人效果:使用相同的設備,功率較低的充電器可以比功率較高的充電器提供更高的能量和更高的效率,」Chen當時說。

量子電池系統的不同實驗裝置,包括提出的和實現的,意味著有不同的途徑來創新這種未來技術的設計。上個月,格但斯克大學和卡爾加里大學的一個團隊,提出了一種量子電池充電系統,該系統可以最大限度地增加儲存在電池中的能量,同時最大限度地減少充電過程中耗散(或損失)的能量。

該團隊重新設計的部分原因,是量子電池及其充電器耦合到同一個儲存庫,產生類似干涉的模式,提高了能量在兩者之間傳輸的效率。該團隊估計,通過新的充電過程,電池可以比使用傳統充電器多儲存四倍的能量。

澳大利亞阿德萊德大學的量子研究員James Quach說:「量子電池更像是一種波,分子或原子一致行動,而在傳統電池中,分子或原子更像單個粒子。這種集體行為是量子電池超廣泛充電特性的基礎,在這種特性下,為更大容量的量子電池充電所需的時間更少。」

2022年,Quach領導的一個團隊透過將一種名為Lumogen-F orange的分子染料放入一個小空腔中,並用脈衝光照射它,以觀察它如何儲存光子傳遞的能量,進而測試了一個基本的量子電池框架。該團隊發現,該系統充電速度非常快,而且更大的系統通常充電速度更快。

Quach說:「目前,為一個儲存約1微焦耳能量的量子電池充電需要飛秒到皮秒的時間,可以持續奈秒到毫秒。雖然這聽起來不是很長的時間,但它的儲存時間實際上比充電時間長一百萬倍以上。作為比較,這相當於一個傳統電池需要幾分鐘充電,但能夠保持數百年的電量。」

正如《新科學家》報導的那樣,一些物理學家推測,量子電池的充電時間與系統中量子位元的數量成反比;換句話說,電池越大,充電速度越快。

前景可期,但商業化言之過早

那麼……我什麼時候能買到量子電池? 量子電池的研究越來越受到關注,但仍處於起步階段。儘管它們的前景非常可觀,但該技術的最終設計將是什麼樣的問題仍然懸而未決。商業化?目前這只是最具商業頭腦的物理學家眼中的夢想。

主要問題仍然是讓量子系統在擴大規模時保持量子態。Quach認為,量子電池可以用作手機和汽車中的行動能源,但許多量子系統目前需要非常冷、無噪音的條件才能保持這種狀態(順便說一句,Quach 2022年的實驗裝置是在室溫下操作的)。並不是要讓你沮喪,但核聚變可能比我們設備中的量子電池更接近現實。

量子電池可以比傳統設備更快、更高效地充電,並且可以與用於模擬和測量的新興量子技術相結合。一個完全可操作的量子電池還沒有被證明,但根據最近的研討會,這樣的技術可以徹底改變我們收集、傳遞和控制能源的方式。鑑於人類對電力的明顯依賴,能源儲存可以使用量子飛躍。

本文授權轉載自:電腦王

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關鍵字: #電池
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從第一天就走向全球!MOOIMOM、大研生醫、特力集團借力亞馬遜出海,以創新、信任打造品牌護城河
從第一天就走向全球!MOOIMOM、大研生醫、特力集團借力亞馬遜出海,以創新、信任打造品牌護城河

在全球市場競爭日益激烈、消費持續升級的時代,消費者比起追求最低價格,更願意為品質、安全與品牌信任買單。品牌之間的競爭,也逐漸從價格競爭,轉向價值競爭。真正決定品牌能否站穩全球市場的,不只是做出好產品,而是能否持續理解消費者需求、快速創新,並建立值得信賴的品牌。

對擁有深厚製造底蘊的台灣品牌而言,這正是一項重要優勢。近年來,越來越多品牌透過產品創新回應市場需求,並以品牌信任建立長期競爭力,在全球市場脫穎而出。而亞馬遜透過全球市場、消費者洞察與數據工具,協助品牌快速驗證市場、持續優化產品,讓更多台灣品牌得以將在地優勢轉化為全球競爭力。

拒絕等待完美,MOOIMOM 透過出海、迭代快速進化

新創母嬰品牌 MOOIMOM 自 2016 年創立起,便瞄準全球市場,MOOIMOM 創辦人周靖棠指出,近年來,台灣新生兒人數持續下滑,若一開始就只做台灣市場,花去的時間、開發成本都無法撐起未來的成長性,「所以我們第一天就決定『Go Gloabl』,這對新創非常重要。」

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新創品牌MOOIMOM瞄準母嬰市場,有鑒於台灣新生人口持續負成長,從2016年創立的第一天,創辦人周靖棠就決定Go Gloabl,決心用優質產品,挑戰更大的市場。
圖/ MOOIMOM

MOOIMOM 是從印尼市場起家,再逐步拓展回台灣,但周靖棠隨即又意識到,若「Go Global」僅在東南亞、台灣,仍然有侷限,於是 MOOIMOM 決定加入亞馬遜,跨出亞洲、進軍澳洲等市場,「MOOIMOM 需要一個已經有高信賴度、強大物流、精準數據的夥伴,協助我們降低跨足北美、澳洲等市場的門檻。」

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MOOIMOM創辦人周靖棠、共同創辦人李沆澎及團隊,透過運用亞馬遜數據與工具,以最真實的消費者反饋,反覆打磨產品。
圖/ MOOIMOM

為了找到市場缺口、實踐價值創新,MOOIMOM 積極運用亞馬遜上的數據與賣家工具。相較於其他品牌可能會注意自家產品有多少五顆星的評價,周靖棠尤其重視「四顆星」的留言,「因為那往往是能不能從『好』做到『更好』的關鍵。」以 MOOIMOM 的「涼感產後束腹帶」為例,團隊透過評論,發現邊緣縫線會造成皮膚的些微摩擦,加上產婦穿不住悶熱的材質,於是,MOOIMOM 花了近兩年時間,參考亞馬遜後台數據,包括消費者留言、競品的包裝顏色、排名落差等資訊,將產品從 1.0 迭代至 3.0 版本,不僅改採涼感透氣材質,更做到無縫線的舒適感。周靖棠透露,1.0 版的束腹帶,原先一週賣不到 1000 美元,但發展至 3.0 時,除了評價穩定保持在 4.3 顆星以上,一週甚至可以達到1萬美元的營業額,等於成長十倍。

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圖/ MOOIMOM
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產後束腹帶三代迭代圖,不僅涼感透氣,更做到無縫線的舒適體驗,讓產後媽媽可以穿得住,真正達到束腹的效果。
圖/ MOOIMOM

另外,周靖棠也善用亞馬遜的「A+ Content」等工具,將「永續」元素植入 MOOIMOM。由於澳洲對環保、安全規範的要求,向來以嚴格聞名,對於跨境電商無法「觸摸實品」的鴻溝,團隊便運用 A+ Content,在產品頁面中將小麥桿融合PP材質等無毒認證和安全細節,讓消費者一目瞭然。針對各國嚴格的母嬰用品法規,團隊也在亞馬遜協助下,一一完成合規程序,把出海阻礙轉化為讓消費者安心買單的保證。

科學實證敲開日本大門,大研生醫靠極致細節贏得信任

以德國頂級魚油、視易適葉黃素等產品聞名的大研生醫,起初是為了自己和家人的保健需求創立,在台灣取得佳績後,大研決定將這份堅持帶向世界。而出海的首站,是保健食品發展逾百年、相當競爭的日本市場。

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大研生醫出海首站就挑戰保健食品發展逾百年、相當競爭的日本市場,大研生醫董事長林東慶表示,進入日本市場真的很辛苦,但當收到日本消費者正向的回饋時,對團隊帶來很大的鼓舞。
圖/ 數位時代

大研生醫董事長林東慶解釋,先選擇日本,是因為當地消費者偏好網購、多居住於公寓,購物習慣、商業環境和台灣相近。至於決定透過亞馬遜進軍日本,一方面出於亞馬遜是日本使用率最高的電商網站之一。其次,在日本市場想「從 0 到 1」發展不易,溝通成本高,「但亞馬遜上的消費者,都很願意接受新東西。代表我們更容易在上面找到對的人。」

林東慶特別提到,日本保健食品市場歷史悠久,卻並非完全沒有切入機會。例如:日本延續過往經驗,原料進展未必跟上時代需求,市面的魚油濃度普遍都不足。除了端出創新的產品之外,想進入相對成熟的日本保健品市場,安全有效、建立信任是唯一真理,「大研經營的正是『信任』,信任背後代表了你的產品、服務和品牌。而亞馬遜就是過程中的最強後盾。」

大研透過亞馬遜的後台數據,從消費習慣與市場需求兩個面向,深入了解日本市場。例如,日本消費者偏好小顆粒、一天可服用多顆保健品;另一方面,日本社會因工作壓力大,助眠、舒緩情緒等產品需求也持續成長。團隊再搭配「在地製造、世界原料」的策略,讓「Made in Japan」成為敲門磚,「就和在台灣帶起『高濃度魚油』的風潮一樣,我們以國際頂級專利原料、強大的科學實證及嚴格的產品檢驗,帶起新趨勢。」

大研甚至將細節延伸至包裝、服務。比方說,日本家戶的信箱尺寸偏小,大研的包裝設計,便要確保能順利投遞進信箱;消費者認為用紙盒包裝更安全,大研也從善如流,採精緻紙盒而非美國市場的簡約瓶裝。由於在每個環節都做到極致,大研才進軍日本亞馬遜半年,就奪下 Omega-3 魚油類目排名第一,整體 BSR 也達到 1000 至 1200 名以內。

接下來,大研計劃進軍極度重視天然與健康的澳洲市場,以及競爭激烈的美國市場,林東慶強調,大研期望透過亞馬遜,將對品質的堅持帶出台灣,成為具影響力的全球品牌。

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大研生醫因應不同市場消費習慣,推出日本、美國、台灣三種版本魚油產品,同樣訴求高濃度、高品質。不僅在生產上呼應其「在地製造、世界原料」的全球化策略,更配合當地市場習慣,量身定做外包裝規劃,左:日本版、中:美國版、右:台灣版德國頂級魚油)
圖/ 數位時代

跳脫傳統代工宿命,特力集團用數據算出市場需求

擁有 30 年歷史的特力集團,從傳統 B2B 貿易起家,如今再下一城、攻入跨境電商市場,在亞馬遜上的營收,每月穩定達到美元六位數。這背後,是一場為了解決傳統代工痛點發起的 DNA 轉型。

特力集團業務總監 Isaac Liao 指出,傳統 B2B 貿易是特力深厚且穩固的根基,但為了在全球供應鏈重組的變局中更具敏捷度,特力必須打破過去與終端市場之間的隔紗。但中上游企業打下游 B2C 戰局,最怕盲目下注或因為怕虧損而不敢試錯。特力的心法,是建立一個「基於數據的科學容錯機制」,把亞馬遜當成全球導航儀,大膽做小規模的市場實驗,算準了、看清了再重注出擊。

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特力集團業務總監 Isaac Liao(右三)分享:特力發揮多軌營運優勢,結合在地團隊實體佈局與供應鏈韌性,打造品牌護城河。
圖/ 特力集團

Isaac 透露,特力在歐美家居市場突圍的關鍵,在於用「數據」找出消費者的痛點,再據此創新產品,「中上游企業常覺得自家產品無敵,怎麼會賣不好?但在電商戰場,消費者沒搜那個關鍵字,產品再好都等於不存在。」特力是用亞馬遜的商機探測器、品牌分析工具,抓出高需求、低競爭的藍海市場,並將自家產品、競品的負評,作為研發參考。例如團隊抽絲剝繭後,發現消費者通常在購買資源回收桶時,最痛恨「異味洩漏」和「腳踏板易壞」;買烤肉推車時,則有「說明書看不懂」、「組裝太複雜」等痛點。團隊會再據此回頭改良製程、產品,並將行銷時,將這些痛點的「解方」直接放大在亞馬遜的產品頁面 A+ Content 和主圖影片中。

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結合質感美學與實用功能,特力熱銷居家產品主打極窄隙縫省空間設計(左)與質感靜音緩降上蓋(右),精準切中消費者痛點。
圖/ 特力集團

Isaac 特別提到,近期特力導入了亞馬遜行銷雲(Amazon Marketing Cloud, AMC),拆解完整的消費旅程。以特力在亞馬遜熱銷的烤肉推車為例,透過 AMC 的底層數據藍圖,團隊發現歐洲消費者從心動到行動平均需要三週。消費者可能在第一週看球賽時,先被特力的品牌影片廣告(DSP)吸引;第二週滑亞馬遜時,看到展示型廣告(SD)被再次提醒;直到第三週週末要辦派對了,才在搜尋框輸入關鍵字並透過商品廣告(SP)下單結帳,「AMC 讓我們看清這條跨渠道的『消費旅程藍圖』,把過去盲目砸廣告的焦慮,變成每分錢都能精算回報率的高精準 ROI 投資。」

特力已立下月營收達七位數美元的新目標。Isaac 透露,團隊正積極布局生成式引擎優化(GEO)等最新 AI 搜尋趨勢,並根據亞馬遜的後台數據,延伸家居周邊產品線,期望推動內部從「製造思維」進化為「市場和品牌思維」,讓台灣深厚的製造底蘊,能在國際零售舞台上走得更深、更遠。

從 MOOIMOM、大研生醫到特力集團,三個品牌雖然來自不同產業,卻走出了一條相似的成長路徑:透過產品創新回應市場需求,並以品牌信任建立長期競爭力。事實證明,真正的品牌優勢,並非一次打造出完美的產品,而是持續傾聽消費者、快速迭代,並把每一次優化都累積成更深厚的品牌價值。

對台灣企業而言,全球化已不只是把產品賣到海外,而是直接面對全球消費者、持續學習並打造品牌的過程。亞馬遜提供的不只是跨境銷售的管道,更是一套串聯市場洞察、消費者數據、全球物流與在地營運的全球基礎設施,協助品牌更快理解市場、更快優化產品,也更快建立品牌信任。當台灣品牌將製造優勢結合持續創新的能力,並善用全球資源加速成長,就更有機會站穩世界市場,實踐「Go Global From Day One」的全球布局。

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圖/ Amazon

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