2017 Fiscal Year Annual Research Report
Testing the quantum field theory in curved spacetime with the Unruh effect
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16J01780
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大下 翔誉 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 場の量子論の検証 / 量子情報 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1.曲がった時空での場の量子論の理論的整合性に関する研究
加速膨張宇宙（ド・ジッター宇宙）は、ハッブル定数Hで特徴付けられる膨張率を持ち、1/H以上離れた位置からの情報にはアクセスできない。この性質により、加速膨張宇宙における重力場は1/H^2に比例するエントロピー(Bekensteinエントロピー)を持つことが知られている。stochastic inflationという描像によると、膨張宇宙の重力場を特徴付けるパラメーター加速膨張率Hは、物質場の熱的な量子揺らぎの影響で、ストカスティックに揺らぐことが知られている。この場合、有限の確率で重力場のエントロピーは減ることとなり、愚直には熱力学の第二法則が宇宙のスケールで破れ得ることとなる。私は加速膨張宇宙における量子揺らぎの量子デコヒーレンスを考慮すると、デコヒーレンスによるエントロピー生成が、Bekensteinエントロピーの減少分を相殺し、全系のエントロピーは減少しないことを示した。
2. ブラックホール(BH)内部の量子揺らぎの古典化とBHの情報問題
2012年にPolchinskiたちのグループは、BHの終状態が始状態の情報を含んでいるためには、Hawking対の持つ量子もつれが切れる必要があることを指摘した。しかし、その量子もつれが切れる無矛盾な機構は従来まで知られていなかった(AMPSパラドックス)。本研究では、BH内側に向かって落ちていく量子揺らぎは、「量子揺らぎの古典化」という機構により、量子論的性質を喪失することを示した。これにより、Hawking対の量子もつれも喪失することになる。量子揺らぎの古典化は、本来宇宙論の分野で十分に研究されている機構である。このように、宇宙論の分野で得られた知見を量子情報の問題に応用することで、BHの情報問題(AMPSパラドックス)というより基礎的な問題に大きく寄与することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度はUnruh効果による観測的な場の量子論の検証のみならず、曲がった時空での場の量子論と熱力学、量子情報との理論的整合性についても研究を行い、成果をあげることができた。また、本研究はブラックホールの情報問題や初期宇宙論の熱力学的整合性の問題とも関係しており、幅広い物理学の分野で貢献し得る知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、低エネルギー極限で成り立つ「曲がった時空での場の量子論」を超えた「量子重力理論」の検証を見据えて研究を進める。重力波のリングダウン重力波がその一助となると期待している。量子重力の効果が、重力波の分散関係に非自明な形で影響する場合、ブラックホールの固有振動数に大きく影響しうる。このブラックホールの固有振動数はリングダウン重力波のフーリエ成分を調べることで、観測的に得ることが可能である。この研究を進める上で、種々の量子重力理論の分散関係を調べ、準備を整えていくことが必要である。
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