想像一下維多利亞時代的倫敦，但它的天空佈滿了飛艇。蒸汽驅動的機器人擠滿了街道，與戴著高禮帽、穿著襯裙的人們混在一起。這種複古未來主義的混搭是蒸汽朋克的奇幻境界，蒸汽朋克是一種文學、電影和其他創意媒體的流派。理論物理學家 Nicole Yunger Halpern 將她的專業——量子熱力學領域——視為現實世界版本的蒸汽朋克。
在蒸汽朋克中，“古老的環境和未來科技有一種奇怪的並置，”雲格·哈爾彭說。 “這就是我們在量子熱力學中所做的事情。”
熱力學於 1800 年代工業革命背景下發展起來，描述了(序列號: 6/12/24）。該領域誕生於理解蒸汽機的科學努力。與那些叮叮噹當的工業機器相比，量子物理學描述了原子、電子等尺度的現象，並推動了現代技術的發展，例如(序列號：23 年 6 月 28 日）。
過去，一些物理學家認為量子熱力學的想法沒有意義。 “他們認為這是一種矛盾，”雲格·哈爾彭說。
然而現在，這兩個概念在量子引擎和其他微型設備中發生了衝突。量子熱力學研究人員的目標是開發描述量子系統中的熱、功、冷卻和效率的工具，並確定量子器件的性能極限。雲格·哈爾彭 (Yunger Halpern) 是馬里蘭州科利奇帕克市量子信息和計算機科學聯合中心的國家標準與技術研究所物理學家，他處於這些努力的最前沿。
“她有一個願景，並且她遵循它，”麻省理工學院的量子物理學家阿拉姆·哈羅說。 “她還擅長招募其他人來實現她的願景。”
雲格·哈爾彭的主要貢獻之一是探索海森堡不確定性原理背後的量子概念對熱力學的意義。
想像一杯熱茶。熱力學描述能量如何從茶轉移到周圍空氣，或者蒸發的水分子如何逸出。在這種情況下，能量和水分子這兩個量都是守恆的，這意味著它們可以從一個地方移動到另一個地方，但總量是固定的。解釋守恆量如何交換的問題在熱力學中反復出現。
現在，如果茶不是一整杯茶而是一束由幾個原子組成的茶呢？ Yunger Halpern 想知道這種交換有何不同。在量子物理學中，守恆量可能彼此不相容。這意味著它們不能同時測量。，這表明你越了解量子物體的位置，你就越不了解它的動量，反之亦然,提供了一個著名的例子（序列號：1/12/22）。
“幾十年來，幾乎沒有人真正考慮過當系統和環境交換數量不兼容時會發生什麼，”Yunger Halpern 說。事實證明不兼容會產生真正的影響她和同事在 2023 年發表的一項主題調查中指出，關於系統的行為方式自然評論物理。例如，不相容可以減少這種交換中產生的熵或無序的量。由於孤立系統的總熵往往會隨著時間的推移而增加，一些科學家認為熵與區分未來和過去（序列號：2015 年 7 月 10 日）。雲格·哈爾彭說，從某種意義上說，這意味著不兼容的數量可能會阻礙系統體驗時間之箭的能力。
量子熱力學已經帶來了一些巧妙的實驗室演示。例如，單個將熱量轉化為功（序列號：2016 年 4 月 14 日）。現在，Yunger Halpern 的目標是通過自主量子機器將量子熱力學付諸實際應用。
典型的量子設備，例如單原子引擎、原子鐘或構成量子計算機的量子比特，需要實驗人員不斷地刺激才能運行。自主設備將自動運行。
Yunger Halpern 與同事合作將這一想法變為現實。結果是自主量子冰箱該團隊於 2023 年 5 月在 arXiv.org 上報導稱，它可以自動冷卻一個量子位。
在 2023 年 7 月的 arXiv 論文中，她和同事提出了創建自主量子機器必須滿足的標準。例如，這些機器必須具有結構完整性和足夠純的量子態。此外，它們的輸出必須值得運行它們所需的輸入。這意味著量子引擎控制它所需的能量不能多於它輸出的能量。量子物理學家馬庫斯·胡貝爾 (Marcus Huber) 與雲格·哈爾彭 (Yunger Halpern) 合作制定了這些標準。 “我發現她才華橫溢，但也非常熱情和專注，”維也納工業大學的胡貝爾說。 “她會向你提出一些中肯的好問題。”
不僅她的科學受到關注，她的寫作也受到關注。 Yunger Halpern 的 2022 年書，量子蒸汽朋克：昨天的明天的物理學，引起了公眾對該領域的關注。她也是該網站的科學博主量子前沿。雲格·哈爾彭 (Yunger Halpern) 表示，寫作使她能夠不受科學出版物的限制探索新的想法（奇特的猜測和“異想天開”的想法不太可能通過同行評審）。 “在每個月的任何一天進行真正廣泛、瘋狂和創造性的思考對於保持物理學的創造力非常有用。”
即將加入哈佛大學的加拿大滑鐵盧大學沙揚·馬吉迪 (Shayan Majidy) 表示，正如她的作品將新舊並置一樣，雲格·哈爾彭 (Yunger Halpern) 也經常體現對比。沙揚·馬吉迪 (Shayan Majidy) 最近在雲格·哈爾彭 (Yunger Halpern) 的指導下完成了博士學位。她對學生的要求很高，但作為顧問卻很熱情、貼心。 Majidy 說，當他結婚時，Yunger Halpern 不知何故找到了他最喜歡的當地冰淇淋品牌——Kawartha Dairy——並給他寄了一張禮品卡。
她的愛好傾向於安靜、慢節奏的追求：散步、參觀博物館。但她對工作充滿了旺盛的熱情。 “她的興趣和品味非常傳統，”馬吉迪說，“但她是一位非常年輕、充滿活力的新星研究員。”
