为什么这位物理学家将热力学带入量子时代

想象一下维多利亚时代的伦敦，但它的天空布满了飞艇。蒸汽驱动的机器人挤满了街道，与戴着高礼帽、穿着衬裙的人们混在一起。这种复古未来主义的混搭是蒸汽朋克的奇幻境界，蒸汽朋克是一种文学、电影和其他创意媒体的流派。理论物理学家 Nicole Yunger Halpern 将她的专业——量子热力学领域——视为现实世界版本的蒸汽朋克。

在蒸汽朋克中，“古老的环境和未来技术有这种奇怪的并置，”云格·哈尔彭说道。 “这就是我们在量子热力学中所做的事情。”

热力学于 1800 年代工业革命背景下发展起来，描述了（序列号: 6/12/24）。该领域诞生于理解蒸汽机的科学努力。与那些叮叮当当的工业机器相比，量子物理学描述了原子、电子等尺度的现象，并推动了现代技术的发展，例如（序列号：23 年 6 月 28 日）。

过去，一些物理学家认为量子热力学的想法没有意义。 ？他们认为这是一个矛盾的说法，？云格·哈尔彭说道。

然而现在，这两个概念在量子引擎和其他微型设备中发生了冲突。量子热力学研究人员的目标是开发描述量子系统中的热、功、冷却和效率的工具，并确定量子器件的性能极限。云格·哈尔彭 (Yunger Halpern) 是马里兰州科利奇帕克市量子信息与计算机科学联合中心的国家标准与技术研究所物理学家，他处于这些努力的最前沿。

？她有一个愿景，并且她遵循它，？麻省理工学院的量子物理学家阿拉姆·哈罗说。 “她还擅长招募其他人来实现她的愿景。”

永格·哈尔彭的主要贡献之一是探索海森堡不确定性原理背后的量子概念对热力学的意义。

想象一杯热茶。热力学描述能量如何从茶转移到周围空气，或者蒸发的水分子如何逸出。这两个数量？能量和水分子？在这种情况下，它们是保守的，这意味着它们可以从一个地方移动到另一个地方，但总量是固定的。解释守恒量如何交换的问题在热力学中反复出现。

现在，如果茶不是一整杯茶而是一束由几个原子组成的茶呢？ Yunger Halpern 想知道这种交换有何不同。在量子物理学中，守恒量可能彼此不相容。这意味着它们不能同时测量。，这表明你越了解量子物体的位置，你就越不了解它的动量，反之亦然,提供了一个著名的例子（序列号：1/12/22）。

几十年来，几乎没有人真正考虑过当系统和环境交换不兼容的数量时会发生什么？云格·哈尔彭说道。事实证明不兼容会产生真正的影响她和同事在 2023 年发表的一项主题调查中指出，关于系统的行为方式自然评论物理。例如，不相容可以减少这种交换中产生的熵或无序的量。由于孤立系统的总熵往往会随着时间的推移而增加，一些科学家认为熵与区分未来和过去（序列号：2015 年 7 月 10 日）。云格·哈尔彭说，从某种意义上说，这意味着不相容的数量可能会阻碍系统体验时间之箭的能力。

量子热力学已经带来了一些巧妙的实验室演示。例如，单个将热量转化为功（序列号：2016 年 4 月 14 日）。现在，Yunger Halpern 的目标是通过自主量子机器将量子热力学付诸实际应用。

典型的量子设备，例如单原子引擎、原子钟或构成量子计算机的量子比特，需要实验人员不断地刺激才能运行。自主设备将自动运行。

Yunger Halpern 与同事合作将这一想法变为现实。结果是自主量子冰箱该团队于 2023 年 5 月在 arXiv.org 上报道称，它可以自动冷却一个量子位。

在 2023 年 7 月的 arXiv 论文中，她和同事提出了创建自主量子机器必须满足的标准。例如，这些机器必须具有结构完整性和足够纯的量子态。此外，它们的输出必须值得运行它们所需的输入。这意味着量子引擎控制它所需的能量不能多于它输出的能量。量子物理学家 Marcus Huber 与 Yunger Halpern 合作制定了这些标准。 ？我发现她很聪明，但也非常热情和专注，？维也纳工业大学的 Huber 说道。 “她会向你提出一些中肯的好问题。”

受到关注的不仅仅是她的科学？她的写作也是。 Yunger Halpern 的 2022 年书，量子蒸汽朋克：昨天的明天的物理学，引起了公众对该领域的关注。她也是该网站的科学博主量子前沿。云格·哈尔彭 (Yunger Halpern) 表示，写作让她能够不受科学出版物的限制而探索新的想法（奇特的猜测和“现成”的想法不太可能通过同行评审）。 “在每个月的任何一天进行真正广泛、疯狂和创造性的思考对于保持物理学的创造力很有用。”

加拿大滑铁卢大学的沙扬·马吉迪 (Shayan Majidy) 表示，正如她的作品将新旧并置一样，云格·哈尔彭 (Yunger Halpern) 也经常体现对比。沙扬·马吉迪 (Shayan Majidy) 即将加入哈佛大学，他最近在云格·哈尔彭 (Yunger Halpern) 的指导下完成了博士学位。她对学生要求很高，但作为顾问却很热情、关怀备至。 Majidy 说，当他结婚时，Yunger Halpern 不知何故找到了他最喜欢的当地冰淇淋品牌？卡瓦萨乳业？并给他寄了一张礼品卡。

她的爱好倾向于安静、慢节奏的追求：散步、参观博物馆。但她对工作充满了旺盛的热情。 ？她有非常老式的兴趣和品味，？马吉迪说：“但这位非常年轻、充满活力的新星研究员。”