伦敦，在某个时刻，罗莎琳德庆幸自己偷了哥哥的黑色斗篷，而不是穿了猩红色的那件。她旁边的工厂已经停止了夜间的浓烟排放，但很快又会重新开始。一个声音让她缩回砖墙边。她抬头一看，倒吸一口凉气。一个长方形的庞然大物正在天空中漂浮。黑暗模糊了细节，但她不需要看清；黄铜色的锁会漆在侧面。梅拉托尔发射了他的飞艇。
欢迎来到蒸汽朋克。在过去的几十年里，这种流派已经扩展到文学、艺术和电影领域。它的故事往往发生在新兴的工厂和肮脏的城市，在工业时代的英国和狂野的西部——在技术蓬勃发展的真实环境中。然而，蒸汽朋克角色将这些发明扩展到未来的技术，包括自动机和时间机器。新旧并置营造出浪漫和冒险的氛围。难怪蒸汽朋克爱好者会购买高顶礼帽和衬裙，用黄铜和玻璃装饰自己，并蜂拥参加蒸汽朋克大会。
这些爱好者梦想着冒险。但今天在量子物理学、信息论和热力学这三个领域交叉工作的物理学家们正在亲身体验。正如蒸汽朋克将科幻技术与维多利亚风格融合在一起一样，我称之为“量子蒸汽朋克”的现代物理学领域将21世纪的技术与19世纪的科学原理结合起来。
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我们的目标是更新热力学定律——关于功、热和效率的研究——以满足尖端实验、技术和理论的需求。热力学诞生于蒸汽机驱动工业革命之时。但随着技术的缩小，热力学和信息在越来越小的系统中耦合。聚光灯已经从火车转移到纳米级发动机、活细胞的分子马达和最小的冰箱。我们现在必须研究如何将传统的热力学概念（如热、功和平衡）应用于现代量子系统。
维多利亚时代的物理学邂逅千禧年科学
到1800年，托马斯·萨弗里和托马斯·纽科门发明了蒸汽机，詹姆斯·瓦特和马修·博尔顿改进了蒸汽机。当时的思想家们想知道这种发动机从矿井中抽水的效率有多高。他们的研究从实用性扩展到基础物理学问题，例如为什么时间只朝一个方向流动。热力学领域的基础就建立在这项工作之上。
物理学的这个分支用宏观性质（如温度、压力、体积和能量）来描述多粒子系统，如蒸汽。传递中的能量分为两类：功和热。功是组织良好的能量，可用于某种目的，如转动磨坊水轮。热是随机运动的能量——粒子的抖动。
热力学家用一个称为熵的数字来量化随机性。蒸汽罐中的每个粒子都有一个位置和一个动量（粒子的质量乘以其速度）。我们将所有粒子的位置和动量的集合称为蒸汽的微观状态。我们无法知道微观状态，因为罐中包含约1024（1后面跟着24个零）个粒子。想象一下试图找到所有粒子！相反，我们追踪蒸汽占据这个或那个微观状态的概率。熵量化了我们的不确定性。根据热力学第二定律，封闭、孤立系统的熵不会缩小。这一事实是时间向单一方向流动的现实的根本原因。
但是，传统热力学中心蒸汽机与今天的技术之间的相似之处，就像高顶礼帽与虚拟现实头盔之间的相似之处一样。许多现代发明和实验都涉及小型、复杂的量子系统。量子理论是原子、电子和其他物质组成部分的物理学。它们的行为方式对于较大的经典系统（如蒸汽罐、工厂和人）来说是不可能的。例如，量子粒子可以共享纠缠，这是一种超强的关联类型。如果你纠缠两个原子并测量其中一个，另一个原子会瞬间改变，即使它在大陆的另一端。物理学家可以利用纠缠以经典系统不可能的方式处理信息。研究我们如何利用量子系统解决计算问题、通信、保护信息和增强测量的学科被称为量子信息论。该理论是实现我们热力学更新的有用数学工具包。这两个领域如何联系起来？要推理信息，我们必须面对无知。信息论学家用熵来量化无知，就像热力学家一样。
例如，量子计算机是量子信息论和热力学都至关重要的系统。谷歌、IBM和其他机构正在努力构建这种机器，其目标是破解某些加密方案，并比任何经典计算机更快地模拟某些材料。大多数量子计算系统需要冷却到接近绝对零度的温度。冷却相当于散发热量，这是一个热力学量。然而，量子计算机看起来与热力学为其开发的发动机截然不同。
将热力学概念应用于量子环境的努力可以追溯到20世纪中期，当时约瑟夫·盖西克、E.O.舒尔茨-杜布瓦和H.E.德里克·斯科维尔提出了第一台量子引擎。它由脉泽构成，脉泽的工作原理类似于激光，但释放微波光。后来，耶路撒冷希伯来大学的罗尼·科斯洛夫和他的同事帮助将量子引擎变成了自己的子领域。另一位先驱是马兰·斯卡利，有时被称为“量子牛仔”，他在普林斯顿大学和德克萨斯A&M大学研究量子光学，也饲养牛。与此同时，理论家詹·保罗·贝雷塔、已故的埃利亚斯·吉夫托普洛斯和已故的乔治·哈佐普洛斯从量子角度研究了时间箭头。一篇具有里程碑意义的出版物是塞思·劳埃德1988年在洛克菲勒大学的博士论文《黑洞、恶魔和相干性的丧失：复杂系统如何获取信息，以及它们如何处理信息》，该论文为量子热力学领域奠定了许多重要思想。
量子蒸汽朋克工具
正如我们所见，熵在热力学、信息论和量子理论中都起着重要作用。熵通常被认为是一个单一的实体，但实际上，存在许多种熵，以描述不同情况的不同数学函数的形式存在。最著名的熵种类是由路德维希·玻尔兹曼和约西亚·威拉德·吉布斯在19世纪引入热力学，由贝尔电话实验室员工克劳德·香农在1948年引入信息论，以及由理论物理学家约翰·冯·诺伊曼在1932年引入量子信息论。这些熵不仅量化了不确定性，还量化了我们执行信息处理任务（如数据压缩）和热力学任务（如汽车动力）的效率。
为现代小型量子系统识别新的熵函数是量子蒸汽朋克理论家的关键任务之一。假设我们试图使用纠缠在某个通道中共享信息。我们可能会问，我们执行此任务的效率是否存在理论限制？答案可能取决于熵。
图片来源：乔治·雷塞克
量子蒸汽朋克的另一个目标是构建物理学家称之为资源理论的东西。这些理论突出了我们运作时受到的约束。例如，热力学第一定律约束我们守恒能量：我们不能创造或毁灭能量；我们只能将其从一种形式和一个系统转移到另一个系统。物理学家可能会发现存在约束的情况，例如具有固定温度的环境，然后尝试用资源理论在数学上对这种情况进行建模。使用资源理论，我们可以计算任务可以执行的最佳效率。通常，效率等于熵的函数。
我们更新热力学任务的第三个重点领域是推导出称为涨落关系式的方程。这些方程是热力学第二定律的扩展，该定律规定封闭、孤立系统中的熵不能减少。涨落关系式控制着承受强力的小型系统，并告诉我们这些力所做的功。
1996年，现在在马里兰大学的克里斯托弗·雅尔津斯基证明了最著名的涨落关系式之一。热力学家称之为雅尔津斯基等式，尽管雅尔津斯基非常谦虚，他从不这样做。实验人员使用这个等式来测量小型系统的某些热力学性质。例如，想象一下漂浮在水中的DNA链，其温度与其周围环境相同。该链具有一定量的自由能，这基本上是系统可以利用来做功的能量。科学家可以使用激光捕获链的一端并拉动另一端。在他们将链拉紧一段时间后，DNA将恢复到溶液的温度，此时该链将具有不同量的自由能。自由能的差异在化学、药理学和生物学中具有应用。我们可以通过在许多试验中拉伸链，测量每次试验中所需的功，将我们的数据代入雅尔津斯基等式并求解方程来估计自由能差异。
雅尔津斯基和我问道，我们必须进行多少次试验才能以一定的精度估计自由能差异？我们计算了可能必须执行的最小试验次数，并提出了一个使用小规模信息论量化精度的方案。在最近的另一项工作中，我的合作者和我表明，涨落关系式和新颖的熵函数是小规模热力学的两种一致方法，我们使用每种方法来阐明另一种方法。伦敦、科隆和其他地方的量子热力学家已经扩展和完善了这项研究。
一种新型量子引擎
正如传统热力学有助于描述蒸汽机的物理学一样，我们在量子热力学方面的努力可以帮助我们发明量子引擎。实验人员现在已经创造了使用光子（光粒子）、电子系统和超导量子比特（电流可以永远流动而不会耗散的量子电路）的量子引擎。
最近，我与现在在马里兰大学的克里斯托弗·D·怀特、现在在纽约城市大学的萨朗·戈帕拉克里希南以及加州理工学院的吉尔·拉斐尔共同设计了一种新型量子引擎。作为理论家，我们最初将该引擎设计为存在于我们脑海中的思想实验。但我们也在设想科学家如何使用当今实验室中发现的量子工具构建该引擎的真实版本。例如，通过冷却原子，然后用激光捕获和操纵它们，就可以将我们的设计变为现实。
我们的引擎涉及一种称为多体局域化 (MBL) 的物质相——这是更熟悉的液相、固相和气相的一种变体。如果量子粒子相互排斥并且可以在粗糙、陡峭、随机的景观中缓慢跳跃，则它们可以处于这种相中。MBL 系统的一个关键要素是其“非热性”：它不处于热平衡状态。处于热平衡状态的粒子快速且随机地探索可用空间。如果你让蒸汽探索很长时间，温度和体积等宏观性质将稳定下来并停止大量变化。
但是 MBL 粒子停留在一个区域而不是四处移动，这与蒸汽粒子形成对比。缺乏热平衡是热力学任务中的一种资源。例如，汽车发动机依赖于在冷流体附近存在热流体。这对流体不处于热平衡状态，因为热粒子局域在一个区域，而冷粒子局域在另一个区域——没有粒子探索整个空间。正如汽车发动机利用流体的非热性一样，我的合作者和我利用了 MBL 粒子的非热性。我们称我们的构造为 MBL-mobile。
汽车发动机经历四个步骤，形成一个循环或闭环。在循环结束时，发动机返回其初始状态，通过将热量从热流体传递到冷流体来推动汽车行驶了一段距离。MBL-mobile 也经历一个四步循环。在我们的发动机循环中，我们棘轮或过渡原子从热相（其中粒子可以在整个空间中扩散）到 MBL，然后再返回。为了棘轮发动机，我们通过操纵激光器的设置，将粒子居住的景观从相当平坦变为粗糙。在每次棘轮之前，发动机都会与外部环境交换热量。发动机在热相时与热环境相互作用，在 MBL 相时与冷环境相互作用。总而言之，四个步骤是：（1）在热相中与热环境交换热量，（2）从热相棘轮到 MBL，（3）与冷浴交换热量，以及（4）从 MBL 棘轮到热相。
我们通过计算 MBL-mobile 的功率和效率，并将其与其他发动机的功率和效率进行比较，来评估 MBL-mobile 的工作性能。例如，一些细菌有鞭毛，或由马达旋转的长而鞭状的尾巴。这些小型发动机与我们的发动机相比如何？我们估计，我们的发动机可以输出大约是鞭毛功率的 10 倍。另一方面，我们的量子引擎与汽车发动机相比如何？我们估计了两种发动机的功率密度，或单位体积的功率输出：汽车发动机更有效地利用空间，但也只多出大约 10 倍。
MBL 相为我们的发动机提供了四个优势。首先，发动机可以具有任意尺寸，从 10 个粒子到无限多个。要制造大型发动机，您可以从 10 个粒子的迷你发动机开始。您制造许多迷你发动机的副本，然后将它们并排操作。如果迷你发动机表现出热行为，它们会相互干扰，因为一个迷你发动机的粒子会 stray into 另一个迷你发动机。MBL 确保一个迷你发动机中发生的事情会留在那里。因此，您可以将许多迷你发动机紧密地挤在一起，从而使整个发动机具有高功率密度：MBL-mobile 的第二个优势。
如果您在许多试验中运行发动机，则第三个优势就会显现出来。在一些试验中，发动机将做功。但在少数试验中，发动机将吸收功，做与其应该做的相反的事情。如果您在 MBL 相和热相之间棘轮发动机，而不是在 MBL 相内棘轮发动机，则发生这些最坏情况试验的情况会更少。此外，如果您利用 MBL，从成功的试验到成功的试验，功的变化量会更小；MBL 增强了发动机的可靠性。
我们在 MBL-mobile 上取得的成功（至少在思想实验中）表明，MBL 可能在其他需要进行的热力学任务中具有更多应用。例如，想象一下反转我们的循环。发动机应该制冷，将热量从冷环境传递到热环境。量子系统需要制冷才能显现纠缠等特性。MBL 冰箱可以用于冷却多粒子量子系统。或者，科学家们也写了一份提案，使用 MBL 来存储能量。最近，我和我的合作者开始尝试使用另一组工具创建该引擎的真实版本：设置在磁场中的超导量子比特。当我们应用量子蒸汽朋克思维到材料科学时，机会是无限的。
透过量子单片眼镜凝视
蒸汽朋克爱好者通过单片眼镜凝视未来。她看到了什么？一个数学和物理工具包正在量子理论、信息论和热力学的交叉点上固化。我们也在努力将该工具包应用于其他科学领域：材料科学，如 MBL-mobile；化学；高能物理学，如黑洞和时空结构；以及原子、分子和光学物理学。
技术呼唤应用。大多数量子蒸汽朋克工作是理论性的，尽管现实世界的实验已经开始并且正在成倍增加。但正如热力学的发展帮助推动了工业革命一样，新的发明也应该从量子、小规模和信息热力学中产生。MBL 发动机不会在本十年为我们的汽车提供动力。但分子开关、太阳能燃料收集器和散热晶体管是与热力学相关的小规模技术。它们应该指导理论。
另一个挑战是统一量子蒸汽朋克中的不同努力——新颖的熵、资源理论、涨落关系式、量子热机等等。这些只是世界各地正在进行的许多不同类型的工作和正在开发的新工具中的一部分。调和这些领域不同的定义和结果将巩固量子热力学的理论。
热力学带有发动机润滑脂和砂砾的气味，蒸汽朋克爱好者乘坐第一批火车穿越乡村，征服第一批远洋客轮上的海浪，并从热气球上惊叹于风景。量子信息科学正在改变我们对计算、通信、密码学和测量的理解。您正在《大众科学》上阅读关于这种新旧融合的文章，但您不妨拿着H.G.威尔斯或儒勒·凡尔纳的小说。