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量子マクスウェルの悪魔とその光格子上の冷却原子気体への応用

Research Project

Project/Area Number 13J04105
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field 原子・分子・量子エレクトロニクス
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

布能 謙  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2013-04-26 – 2016-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2015)
Budget Amount *help
¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2014: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2013: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords非平衡統計力学 / ゆらぎの熱力学 / 情報理論 / 情報熱力学 / マクスウェルの悪魔 / 量子熱力学 / ゆらぎの定理
Outline of Annual Research Achievements

系の状態が非平衡の場合でも情報論的な量を取り入れることで、非平衡な状態に対する熱力学が進展してきた。特に、一般に非平衡な場合に対して散逸を小さくする方法が熱力学第二法則やゆらぎの定理、Jarzynski等式を用いて研究されてきたり、系から取り出せる仕事のゆらぎをできるだけ抑える方法が量子情報のテクニックを熱力学へと応用して議論されてきた。熱機関や熱力学的タスクといった非平衡なダイナミクスを制御し、効率的に操作したい場合、系から取り出せる仕事と熱浴へと散逸してしまう散逸仕事(散逸)の二つの熱力学的な物理量が重要な鍵を握る。仕事は系から“自由に取り出せるエネルギー”といった操作論的な意味を持ち、散逸はプロセスの不可逆性を表す。熱ゆらぎが無視できない微小系では熱力学的な量はゆらいでいて、系のトラジェクトリーに依存して仕事と散逸はそれぞれが異なった関数形をとる。
本研究では、この仕事と散逸といった二つの重要な物理量が系の初期状態・終状態の非平衡の度合いによってどのような制約を受けるかについて研究を行った。そして、仕事と散逸それぞれの標準偏差の和は非平衡自由エネルギーの標準偏差によって下から抑えられるという仕事ゆらぎ-散逸ゆらぎの間のトレードオフ関係を導出した。また、仕事ゆらぎと散逸を同時に最小化することはできず、それらの間にトレードオフ関係があることも見出した。さらに、詳細ゆらぎの定理を使うことによって、トレードオフの下限を達成する具体的なプロトコルの導出を行い、そのプロトコルがハミルトニアンのクエンチ、熱平衡化、準静的過程の組み合わせで構成されることを明らかにした。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2015 Annual Research Report
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2015 2014 2013

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 7 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Quantum nonequilibrium equalities with absolute irreversibility2015

    • Author(s)
      K. Funo, Y. Murashita and M. Ueda
    • Journal Title

      New Journal of Physics

      Volume: 17 Issue: 7 Pages: 075005-075005

    • DOI

      10.1088/1367-2630/17/7/075005

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] ork Fluctuation-Dissipation Trade-Off in Heat Engines2015

    • Author(s)
      Ken Funo and Masahito Ueda
    • Journal Title

      Phys. Rev. Lett.

      Volume: 115 Issue: 26 Pages: 260601-260601

    • DOI

      10.1103/physrevlett.115.260601

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Nonequilibrium equalities in absolutely irreversible processes2014

    • Author(s)
      Yuto Murashita, Ken Funo and Masahito Ueda
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 90 Issue: 4 Pages: 042110-042110

    • DOI

      10.1103/physreve.90.042110

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] General achievable bound of extractable work under feedback control2014

    • Author(s)
      Yuto Ashida, Ken Funo, Yuto Murashita and Masahito Ueda
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 90 Issue: 5 Pages: 052125-052125

    • DOI

      10.1103/physreve.90.052125

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Black hole firewalls require huge energy of measurement2014

    • Author(s)
      Masahiro Hotta, Jiro Matsumoto and Ken Funo
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 89 Issue: 12 Pages: 124023-124023

    • DOI

      10.1103/physrevd.89.124023

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Strong local passivity in finite quantum systems2014

    • Author(s)
      Michael Frey, Ken Funo and Masahiro Hotta
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 90 Issue: 1 Pages: 012127-012127

    • DOI

      10.1103/physreve.90.012127

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Integral quantum fluctuation theorems under measurement and feedback control2013

    • Author(s)
      K. Funo, Y. Watanabe and M. Ueda
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 88 Issue: 5 Pages: 052121-052121

    • DOI

      10.1103/physreve.88.052121

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Thermodynamic work gain from entanglement2013

    • Author(s)
      K. Funo, Y. Watanabe and M. Ueda
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 88 Issue: 5 Pages: 052319-052319

    • DOI

      10.1103/physreva.88.052319

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Work fluctuations and energy dissipation in nonequilibrium processes2015

    • Author(s)
      K. Funo and M. Ueda
    • Organizer
      Third Conference on Quantum Thermodynamics
    • Place of Presentation
      Porquerolles, France
    • Year and Date
      2015-10-11
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Work fluctuations and energy dissipation in nonequilibrium processes2015

    • Author(s)
      K. Funo and M. Ueda
    • Organizer
      New Frontiers in Non-equilibrium Statistical Physics 2015
    • Place of Presentation
      Kyoto University (Kyoto)
    • Year and Date
      2015-08-17
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum fluctuation theorems under measurement and feedback control2014

    • Author(s)
      Ken Funo
    • Organizer
      Physics of Quantum Information Processing
    • Place of Presentation
      Sigma Hall, Osaka University
    • Year and Date
      2014-08-25 – 2014-08-26
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Quantum fluctuation theorems under measurement and feedback control2014

    • Author(s)
      Ken Funo
    • Organizer
      YITP Workshop on Quantum Information Physics (YQIP2014)
    • Place of Presentation
      Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University
    • Year and Date
      2014-08-04 – 2014-08-07
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 量子フィードバック制御下でのゆらぎの定理2014

    • Author(s)
      布能謙
    • Organizer
      基研研究会「量子情報の新展開」
    • Place of Presentation
      京都大学(京都市左京区)
    • Year and Date
      2014-03-23 – 2014-03-25
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 量子フィードバック制御下でのゆらぎの定理2014

    • Author(s)
      布能謙
    • Organizer
      ゆらぎの定理:現在と未来
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2014-03-14
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 量子フィードバック制御下でのゆらぎの定理2014

    • Author(s)
      布能謙
    • Organizer
      量子論の諸問題と今後の発展
    • Place of Presentation
      高エネルギー加速器研究機構(茨城県つくば市)
    • Year and Date
      2014-03-10 – 2014-03-11
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] マクスウェルの悪魔:量子情報と熱力学 ~量子フィードバック制御下でのゆらぎの定理~2013

    • Author(s)
      布能謙
    • Organizer
      基研研究会「量子情報物理学」
    • Place of Presentation
      京都大学(京都市左京区)
    • Year and Date
      2013-12-04 – 2013-12-06
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 量子フィードバック制御下でのゆらぎの定理2013

    • Author(s)
      布能謙、渡辺優、上田正仁
    • Organizer
      日本物理学会2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      徳島大学(徳島県徳島市)
    • Year and Date
      2013-09-18 – 2013-09-21
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Integral quantum fluctuation theorem under measurement and feedback control2013

    • Author(s)
      K. Funo, Y. Watanabe and M. Ueda
    • Organizer
      Frontier of Statistical Physics and Information Processing
    • Place of Presentation
      Kyoto University (Kyoto, Sakyo-ku)
    • Year and Date
      2013-07-11 – 2013-07-14
    • Related Report
      2013 Annual Research Report

URL: 

Published: 2014-01-29   Modified: 2024-03-26  

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