2018 Fiscal Year Annual Research Report
ブラックホールのエントロピーと負の比熱に対する量子情報物理学的観点に基づく研究
| Project/Area Number |
18J20057
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
山口 幸司 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
|
| Keywords | ブラックホール / 量子情報 / エンタングルメント / 純粋化パートナー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
ブラックホールには熱力学に類似した法則があるが、その物理的起源は明らかになっていない。通常の物理系とは異なる特徴的な性質として、ある種のブラックホールが負の比熱を持つという点がある。本年度発表された研究において、4次元の球対称ブラックホールと同じ熱力学的性質を示す量子ビット模型を構築した。この模型における負の比熱の起源はソフトヘアーと呼ばれる非常に低エネルギーの輻射である。これまでブラックホールにおいて、エンタングルメントエントロピー、熱的エントロピー、ベッケンシュタイン-ホーキングエントロピーの三種のエントロピーが互いに一致すると広く信じられてきた。しかし量子ビット模型においてこれらは互いに大きく異なり、ブラックホールにおいても三種のエントロピーが異なる値を持つ可能性があることが明らかになった。これは、ブラックホールが極めて高温な防火壁で覆われているという先行研究で提案されてきた仮説が論理的必然でないということ示す重要な結果である。これらの研究内容はPhysical Review Lettersにおいて出版された。
ブラックホールの情報喪失問題に関連して、情報がどのように量子系に蓄えられるかを調べることが必要である。ある部分系が他の系と量子もつれを持つときには、その純粋化パートナーまで着目系を拡大して解析すれば相関に含まれる情報も調べられる。本年度発表した論文においてパートナーについて系統的な解析を行った。膨張宇宙模型におけるパートナーの振る舞いやパートナー間のエンタングルメントエントロピーに、宇宙膨張の情報が蓄積されることを示した。このようにパートナーは情報ストレージとして働くため、ブラックホール情報喪失問題の解析でも重要な役割を果たすことが期待される。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
エンタングルメントエントロピーの時間発展がベッケンシュタイン-ホーキングエントロピーの値に一致するという仮説はこれまで広く信じられてきたが、具体的模型を用いてその仮説が成り立たない可能性を指摘することが出来た。また量子ビット模型ではベッケンシュタイン-ホーキングエントロピーが熱的エントロピーと異なる値を持つことがわかったが、これはブラックホールにおけるベッケンシュタイン-ホーキングエントロピーの意味付けについて再考する必要性を示唆する重要な結果である。
純粋化パートナーはこれまで特殊な状況に対してしか研究がなされてこなかった。本年度得た研究成果を用いればより系統的な解析を行うことが容易になるため、今後の研究にも繋がる重要な結果であり、大きな意義があると言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
量子系に蓄積される情報についてパートナーなどのツールを用いた解析を更に進める。特にブラックホール時空において、パートナーの振る舞いやそれら間のエンタングルメントエントロピーがどのように情報を蓄えるかを調べる。また、系の時間発展による情報拡散を追跡することにより、ブラックホールを含む一般の系における量子カオスや熱力学との関連も考えていきたい。
|
