要是本杰明·汤普森（也就是大名鼎鼎的拉姆福德伯爵）可以穿越时间来到如今当下的物理实验室，他或许会对自身所引发的科学变革觉得既有着熟悉之感又有着陌生之感。在1798年的时候，这位极具传奇色彩的军官于慕尼黑兵工厂注视炮管钻孔之际，敏锐地表明热并非是某种神秘的流体，而是源自于运动。此一洞察力推翻了当时流行盛行的“热质说”，并且最终奠定了热力学的基础基石。
两百多年后的今朝，瑞士巴塞尔大学的一组物理学家，又一次站在了定义的交叉路口，然而此次，他们面对的并非黄铜大炮以及蒸汽机，而是微观的原子跟激光，在这个受量子力学怪异法则主宰的领域，传统的“功”和“热”的界限已然变得模棱两可，该团队才刚于《物理评论快报》上发表了一项具有突破性的研究，借由引入“光子相干性”当作判据，成功地把热力学定律拓展到了奇特的量子世界。这不但解决了由来已久的理论难题，而且还为往后的量子电池以及量子计算机的能效优化明确了方向。
热力学定律，属于现代物理学里极为坚若磐石的支柱当中的一个，第一定律向我们揭晓了能量是以守恒状态呈现的，第二定律却宣告熵也就是无序度，总是会随着时间而增加，在宏观世界，像是汽车引擎或者发电站这样的地方，这些定律运行得堪称完美，活塞进行的有方向的运动被称作“功”，废气出现的无序扩散被叫做“热”。
然而，当我们把镜头缩小到单个原子的尺度时，事情就乱了套 ，当我们把镜头缩小到单个光子的尺度时，同样事情就乱了套。“在量子系统中，一切都是微观的 ，”巴塞尔大学的博士生解释道 ，他是该研究主要作者之一 ，名为亚伦·丹尼 尔（Aaron） ，“这里没有宏观的活塞 ，所有粒子都在进行某种形式的运动。因此 ，要区分哪部分能量是‘有用的功’ ，哪部分是‘无序的热’，变得异常困难。”。
这个问题可不是单单语义学方面的纠葛，量子技术疾速发展，科学家急切想晓得，我们能不能象设计蒸汽机那般，精准计算量子计算机或者量子传感器的热效率，要是没法界定“功”，就没法界定效率钓鱼网，这是巴塞尔团队力图解开的难题。
研究小组由帕特里克·波茨（Potts）教授领导，该小组并未尝试去发明新的物理定律，而是在寻觅一种翻译机制，他们构建了一个理想化实验室模型，此模型为一个光学腔体谐振器，在这个有着激光束被限制在两面完美镜子间来回不停反射的系统里，腔体内是充满了原子的。
相干性：量子做功的“硬通货”
激光的本质被他们重新审视了，这是研究团队的创新之处。灯泡发出的光线是杂乱的，并非如此，激光具有高度的“相干性”，也就是说，光波的波峰和波谷是完美同步 的，就好像一支训练有素、步伐整齐的军队那样。本科生研究员马克斯·施劳文 指出，这种相干性正是他们计算的出发点。
在其有关理论组成架构范围以内高中物理热力学视频，相干性被认定为用以分辨功跟热有所不同的衡量标准。处在有一种状况之下一束全然完美的激光进入到布满原子的腔体里面之时高中物理热力学视频，它具备的具备着非常高的相干性，这就意味着代表着纯粹的具备做功的潜在能力。这样一种呈现同步状态的光波能够“促使推动”原子进入到特别一定的已激发状态，就好像如同给电池进行充电的情况一样。可是然而，当光跟原子之间彼此产生相互作用之后，原子出现的随机扰动会把光线的同步性进行破坏弄坏。
激光穿过充满原子的空腔之际，一部分能够进行做功，诸如给量子电池充电之类，就像上图所展示的这般，而另外一部分会转变成“热”，如同下图呈现的那样。图片的来源是，Sahagún， / 巴塞尔大学物理系。
研究人员发觉，不只是全然相干的光能发挥作用付出功，就算是部分丧失相干性的光，只要仍旧留存着一点“秩序”，便能够贡献出一部分功力。重点在于怎样分配这块份额：射出的光线里留存相干性的那部分被算作“功”，而丧失相干性、变得纷乱无序的那部分则被算作“热”。
借助这般极为精细的数学分割，奇迹出现了：原本于量子层面好像失效的热力学定律再度恢复了平衡，能量守恒依旧成立，熵增原理也得以满足，这显示出，只要我们恰当地界定了量子语境里的“功”，经典热力学的智慧仍旧适用于微观世界，相干性，事实上变成了连接宏观有序能量与微观量子态的桥梁。
为量子引擎铺平道路
这项研究的影响力，远远超过了理论物理所涵盖的范围。人类正逐渐向着量子技术时代迈进，在此进程中，怎样去管理微观系统的能量，成为了工程领域的核心挑战性问题。
展望一下时日之后的“量子电池”，此等装置借助量子纠缠或者相干态去贮存能量，它的充电速率在理论层面能够远远超越传统的化学电池。巴塞尔大学的全新框架给这种装置给予了评估标准，工程师们当下可以精准地计算出来，注入进去的能量之中有多少切实变成了能够使用的存储（功），又有多少无可避免地衰变成了废热。这对于构想高效率的量子网络节点来讲是非常关键的。
此外，这一发觉还涉及到物理学内无比深奥的哲学问题之一，即经典世界是怎样从量子世界里呈现出来的呢？要是我们于微观层面能够寻觅到热力学的对应事物，那么宏观世界的不可逆情况，像打碎的杯子没办法恢复原样这般的，也许就深切地扎根于量子相干性的缺失之中了。
自拉姆福德伯爵注视发烧的炮管起，直至如今物理学家凝视光学腔里的激光，人类针对能量本质的探寻始终未曾停歇。巴塞尔大学的此项工作呈现出，尽管工具以及尺度已然改变，然而宇宙的基本法则，也就是关于秩序与混乱、做功与耗散的永恒博弈，仍然是由同一套逻辑在撰写。在这场横跨两个世纪的对话当中，量子热力学正从一个抽象的概念，转变成一种能够量化、能够利用的工程资源。