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量子情報理論を用いた孤立量子系の熱力学第二法則の構築

Research Project

Project/Area Number 17J06875
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

金子 和哉  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords統計物理 / 熱力学第二法則 / 非平衡統計力学 / 量子情報 / 冷却原子 / 量子多体系 / 量子エレクトロニクス / 数理物理 / ゆらぎの定理
Outline of Annual Research Achievements

2つの研究テーマ「高次の固有状態熱化仮説による量子多体ダイナミクスの複雑性の特徴づけ」と「アニール・クエンチによる量子アニーラーの高速化」の研究を行った。

昨年度に引き続き、孤立量子多体系における熱平衡化と情報スクランブリングの理論研究を行った。熱平衡化において重要な仮説が、エネルギー固有状態自体が熱平衡状態と区別できないという固有状態熱化仮説である。一方、情報スクランブリングは量子情報の非局在化・非局所化現象であり、新たな量子カオス性の特徴づけとして議論されている。我々は、熱平衡化と情報スクランブリングの本質がダイナミクスのランダムネスにあると考え、高次の固有状態熱化仮説を導いた。以上の結果は、孤立量子系の熱平衡化と情報スクランブリングをつなげる結果であるとともに、量子多体系のカオスの本質であるダイナミクスの複雑性・ランダムネスを定量化する新たな枠組みである。以上の成果をまとめた論文は、Physical Review Aから出版予定である。


量子多体系の研究の応用として、量子アニーリングに関する研究を行った。量子アニーリングは、量子統計力学を基にした組み合わせ最適化問題の発見的解法であり、ハードウェアの性能の評価について盛んに研究がなされている。孤立系については多くの先行研究があるが、実際のハードウェアは完全には孤立しておらず、外部環境からの熱的なノイズの影響をうける。外部ノイズは、一般に解の精度を悪化させ、量子アニーラーの性能を低下させる。我々は量子アニーラーを実際に用いた研究により、アニーリングの途中で横磁場を急激に0 に変化させるクエンチを行うことで、最適解を見つけるに要する時間を改善できることを明らかにした。また、先行研究で提唱されたfreeze-out 仮説が成立していることを確認した。得られた研究成果について、国際会議と国内学会において発表を行った。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2020 2019 2018 2017 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Characterizing complexity of many-body quantum dynamics by higher-order eigenstate thermalization2020

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Eiki Iyoda, Takahiro Sagawa
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: -

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Work extraction from a single energy eigenstate2019

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Eiki Iyoda, and Takahiro Sagawa
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 99 Issue: 3 Pages: 032128-032128

    • DOI

      10.1103/physreve.99.032128

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] From Quantum Mechanics to the Second Law of Thermodynamics2018

    • Author(s)
      金子和哉,伊與田英輝,沙川貴大
    • Journal Title

      Butsuri

      Volume: 73 Issue: 6 Pages: 361-369

    • DOI

      10.11316/butsuri.73.6_361

    • NAID

      130007590373

    • ISSN
      0029-0181, 2423-8872
    • Year and Date
      2018-06-05
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fluctuation Theorem for Many-Body Pure Quantum States2017

    • Author(s)
      Eiki Iyoda, Kazuya Kaneko, and Takahiro Sagawa
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 119 Issue: 10 Pages: 100601-1

    • DOI

      10.1103/physrevlett.119.100601

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Saturation of entropy production in quantum many-body systems2017

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Eiki Iyoda, and Takahiro Sagawa
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 96 Issue: 6 Pages: 062148-1

    • DOI

      10.1103/physreve.96.062148

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 対称性クラスを反映した高次の固有状態熱化仮説2019

    • Author(s)
      金子 和哉, 伊與田 英輝,沙川 貴大
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アニール・クエンチによる量子アニーラーの高速化2019

    • Author(s)
      金子 和哉, 松田 佳希, 田中 宗
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Speedup of a quantum annealer by the anneal quench2019

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Yoshiki Matsuda, Shu Tanaka
    • Organizer
      Adiabatic Quantum Computing Conference 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Partial unitary designによる情報スクランブリングと固有状態熱化仮説の統一的理解2019

    • Author(s)
      金子和哉,伊與田英輝,沙川貴大
    • Organizer
      日本物理学会 第74回年次大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Work extraction from a single energy eigenstate2019

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Eiki Iyoda, Takahiro Sagawa
    • Organizer
      APS March Meeting 2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ハミルトニアン実時間発展におけるscramblingの時間スケール2018

    • Author(s)
      金子和哉,沙川貴大
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一のエネルギー固有状態からの仕事の取り出し2018

    • Author(s)
      金子和哉,伊與田英輝,沙川貴大
    • Organizer
      基研研究会・iTHEMS研究会 2018 非平衡系の物理学-階層性と普遍性-
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] A theorem on relaxation to the microcanonical state in isolated quantum systems2017

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Takahiro Sagawa
    • Organizer
      新学術領域「ゆらぎと構造」第4回領域研究会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 仕事を取り出せるエネルギー固有状態の割合2017

    • Author(s)
      金子 和哉, 伊與田 英輝, 沙川 貴大
    • Organizer
      日本物理学会 2017年秋季大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Second Law and Fluctuation Theorem in Quantum Many-body Systems2017

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Eiki Iyoda, Takahiro Sagawa
    • Organizer
      YITP workshop Quantum Thermodynamics: Thermalization and Fluctuations
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子純粋状態における第二法則の研究2017

    • Author(s)
      金子 和哉, 伊與田 英輝, 沙川 貴大
    • Organizer
      新学術領域「ゆらぎと構造」若手研究会「統計物理学とその周辺」
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Saturation of entropy production in quantum many-body systems2017

    • Author(s)
      Kazuya Kaneko, Eiki Iyoda, Takahiro Sagawa
    • Organizer
      APS March Meeting 2018
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 量子力学から熱力学第二法則を導出することに成功

    • URL

      https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_201709061614152431248138.html

    • Related Report
      2017 Annual Research Report

URL: 

Published: 2017-05-25   Modified: 2024-03-26  

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