当一个机器仅由一个原子和光粒子构成时，什么算作热，什么算作有用的工作？在新兴的量子技术中，类似这样的问题将为了非常不同目的而发展出的两个物理学分支结合在一起。瑞士巴塞尔大学的研究人员现在提出了一个理论框架，旨在让热力学和量子物理在同一环境中一致地工作。热力学在19世纪兴起，主要用于解释大型机器，如蒸汽机，如何转换和传递能量。量子物理则是在20世纪初取得进展的，主要集中在原子和亚原子粒子上。然而，今天这两个领域越来越多地交叠在一起。由原子和光粒子（光子）构成的微小系统可以吸收能量，转化能量并释放能量，使其能够作为微观量子机器运作。一个主要的挑战是找到一个描述，它在整个系统都被量子力学处理时，以及在半经典极限下都保持有效。后者是系统的一部分被量子力学处理，而另一部分则可以用经典物理学足够描述的极限情况。巴塞尔大学的帕特里克·波茨教授团队的研究人员现在在《物理评论快报》中提出了这样一种方法。当代若量子光引擎“我们的计算涉及一个具体的物理模型，一个原子被放置在两个镜子之间的腔体中，它可以吸收和发射光粒子，”博士后马塞洛·雅诺维奇说。在这个设置中，激光持续向腔体提供额外的光子，同时一些光会通过部分反射镜逃逸。“这是一个典型的所谓驱动耗散系统的教材示例，它持续接收能量，同时又将其一部分损失给环境，”该研究人员说。这个模型使物理学家能够研究涉及开放量子系统的基本问题。在这种情况下，原子的行为很像一个微型热机，或者更准确地说，像一个“光引擎”。波茨及其合作者之前已经表明，离开腔体的光子不应自动被视为热力学描述中的“废热”。那些逃逸的光所携带的一部分能量仍然可以用于对另一个量子系统做有用的工作。他们的最新研究考察了当系统接近半经典极限时，热和有用能量之间的这种区分会发生什么。将有用能量与热分开在半经典极限内，腔体内的原子继续被视为具有离散能级的量子系统。然而，这个光被视为经典电磁波，这意味着其量子效应可以被忽略。“将光用经典方式处理使得定义能量的哪一部分能够被用于做功，哪一部分是无序的热，更加容易，”雅诺维奇说。为了使理论保持一致，这种经典极限行为应自然从完整的量子热力学描述中出现。雅诺维奇和他的同事们现在在数学上证明了这一切都是可能的。当一部分发出的光被归类为有用的工作时，理论顺利地过渡到半经典极限。传统的方法则得出不同的结果。如果所有离开腔体的能量都被视为热，理论就无法实现相同的一致性转变。量子波动成为一种资源研究人员还发现，他们的计算正确地描述了量子效应如何减小发出光粒子的波动。这些减少的波动在量子技术中可能尤其有价值。热量常常会产生干扰，使得量子系统更难以控制，但在适当的条件下，它反而可以成为一种有用的资源。例如，这一效应可能有助于产生适合在量子计量中进行特别精确测量的特定光状态。这些发现展示了对热与有用工作之间界限的更好理解如何帮助研究人员利用那些看似被丢失的能量。