2021 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding quantum black holes through the study of artificial quantum matter
| Project Area | The Natural Laws of Extreme Universe--A New Paradigm for Spacetime and Matter from Quantum Information |
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| Project/Area Number |
21H05185
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
手塚 真樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (40591417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中島 秀太 大阪大学, 量子情報・量子生命研究センター, 特任准教授 (70625160)
上西 慧理子 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任講師 (80726274)
森 貴司 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (00647761)
山本 大輔 日本大学, 文理学部, 准教授 (80603505)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 冷却原子気体の実験 / 冷却原子気体の理論 / 光格子 / 孤立量子系 / 量子情報 / 熱化 / 開放量子系 / フロケ状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度の実験は、研究の舞台となる光格子系中の冷却リチウム(Li)原子系の構築を進めた。磁気光学トラップ(MOT)により捕獲・冷却されたLi原子集団を量子縮退領域まで冷却することを目指したが、現状のMOTの原子数と温度では、量子縮退領域まで冷却することが難しいことが分かり、MOTの原子数と温度の改善のため、よりパワーと安定度が期待できる市販の狭線幅半導体レーザーを導入し、レーザー冷却光源を増強した。また、測定誘起相転移の実験に必要となる光会合用レーザーの準備も進めた。
将来的な冷却原子実験を念頭においた理論研究として、手塚は、研究協力者の高三氏(UCバークレー→2022年度より東大)と、非時間順序相関関数の測定で必要となるハミルトニアンの符号反転を、光格子中の冷却フェルミ原子に強い外場をかけ、原子のスピン自由度の相互作用が反強磁性から強磁性に変えることで実現することを提案した。また、山本は、町田氏, 段下氏, および笠松氏(近畿大)と、光格子中の2成分ボース気体について、モット絶縁体転移近傍で、超流動体が自己束縛した液滴を形成することを提案した。開放量子系の基礎研究として、森と白井氏 (早大) は、Lindblad型の量子マスター方程式で記述される開放量子系のダイナミクスについて研究を進め、定常状態における物理量の自己相関関数に関する厳密な不等式を証明した。森は、速い周期駆動下での系の加熱率を、フロケハミルトニアンの高周波展開から評価する手法を開発した。また、開放量子系におけるフロケ状態に関するレビューを執筆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の実験では、磁気光学トラップ(MOT)により捕獲・冷却されたLi原子集団を量子縮退領域まで冷却することを目指し研究を遂行した。しかし研究実績の概要で述べたように、現状のMOTの原子数と温度では、蒸発冷却法により量子縮退領域まで冷却することが難しいことが分かり、レーザー冷却光源の増強など3D-MOT系の改良に時間を割かれた。また、COVID-19の感染拡大の影響による半導体不足からの納期遅延・欠品により、測定誘起相転移の実験に必要となる光会合用レーザーの安定化のためのULE共振器などの準備については、予算を繰り越して遂行することとなった。一方で、その対応中に並行して、次年度以降に予定していた2次元系構築のための光格子用レーザーの準備や2次元系観測のための高解像度光学系の設計を進めることができた。
理論面では、予定していた研究の立ち上げに加えて、開放量子系に関連して、手塚が共同研究者らと、ベーテ仮説法等の解析的手法と、数値的手法である密度行列繰り込み群を、それぞれ非エルミート系に拡張して非エルミートXXZスピン鎖を解析し、相関関数の距離依存性が、複素朝永-ラッティンジャーパラメータで記述されることなどを明らかにするなどの進展もあった。
また、計画研究間の連携として、A01の中田氏(東大→2022年8月より京大基研)と手塚は、量子ブラックホールとホログラフィック対応するサチデフ-イェ-キタエフ模型等、時間依存しないハミルトニアンに基づくダイナミクスによる量子誤り訂正の研究を進めた。
これら実験と理論の進捗を合わせて考えると、全体の進捗としては、おおむね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策としては、実験は、引き続き計画通り、相互作用可変な極低温リチウム(Li)原子系および光格子系の構築を進めていく。レーザー冷却光源の増強・改良が済み次第、速やかに光トラップへ移行し、光トラップ中での蒸発冷却によりLi原子の量子縮退状態の実現を目指す。光格子用光源についてもテストを進めているので、量子縮退状態を実現でき次第、光格子系への導入を目指す。
理論は、測定による散逸を導入した量子多体系の時間発展の計算により、実験で観測できる量の相転移近傍での振る舞いを解析する。また、引き続き、測定誘起量子相転移と、開放量子系のダイナミクスを特徴付ける演算子であるリウビリアンの固有値・固有ベクトルの対応および、測定・散逸に対する平衡状態の安定性または不安定性を調べる。非平衡定常状態について、古典コンピュータのみでは困難なシミュレーションを量子計算機を活用して実現する方法を開拓する。並行して、現在利用できる量子計算機の規模や操作の精度と、量子計算の精度との関係を、古典計算により評価する研究を進める。
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