2026年8月17日——如果一台机器仅由一个原子和光粒子构成，那么“热”和“有用功”分别是什么？在现代量子技术领域，这类问题将热力学与量子物理联系了起来。瑞士巴塞尔大学的研究人员开发出一种理论方法，能够将这两种理论协调统一起来。

热力学与量子物理的理论可谓截然不同。热力学诞生于19世纪，旨在解释大型蒸汽机的工作原理；而20世纪初的量子物理则研究原子和亚原子粒子的性质。然而，在现代量子技术中，这两种理论再次交汇：事实上，由原子和光粒子（光子）构成的微小系统也能吸收能量、转换能量并释放能量，从而充当微型量子机器。

物理学家面临的挑战在于，找到一种处理此类系统的方法，使其既能适用于完全量子力学的系统，也能适用于半经典极限。后者是这样一种极限情况：系统的一部分按量子力学方式处理，而另一部分用经典物理就足够了。在科学期刊Physical Review Letters上，巴塞尔大学Patrick Potts教授课题组的研究人员提出了一种理论方法，正是为了应对这一挑战。

空腔中的微型热机

“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面镜子之间的空腔内，可以吸收和发射光粒子”，博士后Marcelo Janovitch说。一束激光持续将额外光子泵入空腔，同时光可以通过部分反射的镜子从空腔逃逸到外部。“这是所谓驱动-耗散系统的教科书式范例：系统持续接收能量，同时又将能量耗散到环境中”，这位研究人员说。这样的模型可用于研究开放量子系统的基本问题。在这种情境下，原子的行为类似于一台微型热机——或者，在这种情况下，一台“光引擎”。

近期，Potts及其合作者已经证明，在热力学处理中，从空腔逃逸的光粒子通常不应被视为“废热”。相反，它们的一部分能量仍然可以用来对另一个量子系统做有用功。在新论文中，研究人员探讨了热与有用能量之间的这种区分如何影响半经典极限。

在半经典极限中，空腔中的原子仍被视为具有离散能级的量子系统，而光则被视为经典电磁波，因此量子效应可以被忽略。“将光作经典处理，可以更容易地界定哪部分能量可以用来做功，哪部分是无序的热”，Janovitch说。重要的一点是：这种极限情况应当能从量子热力学处理中以一致的方式推导出来。

涨落减少作为资源

这正是Janovitch及其同事现在通过数学方式证明的。他们的方法将部分发射光计为功，可以毫无问题地推广到半经典极限。相比之下，对于将所有从空腔逃逸的能量都视为热的传统方法，这一点则无法实现。此外，研究人员的计算正确预测了量子效应如何导致光粒子涨落的减少。

尤其是这些减少的涨落，对量子技术应用具有重要意义。它们使得将热——通常会导致量子系统受到干扰——用作特定目的的资源成为可能。例如，可以创造特殊的光态，用于量子计量中特别精确的测量。