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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Topological phases in open quantum and classical systems with randomness

Research Project

Project/Area Number 22H01140
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

小布施 秀明  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50415121)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岡本 亮  京都大学, 工学研究科, 准教授 (10435951)
羽田野 直道  東京大学, 生産技術研究所, 教授 (70251402)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Keywords非エルミート系 / トポロジカル相 / 不規則系 / 局在・非局在転移 / 量子ウォーク / Lindblad方程式
Outline of Annual Research Achievements

周期境界を課した非エルミート系特有のポイント・ギャップが非自明なトポロジカル相を持つ場合、その系に固定端を課すと全状態が固定端近傍に局在するというバルク・エッジ対応原理が知られています。しかし、接合系に関するバルク・エッジ対応が議論されていなかったため、ポイント・ギャップのトポロジカル数が異なる2つのサブシステムからなる拡張されたHatano-Nelsonモデルを用い、固定端を課した系に対して適用されるNon-Bloch定理を拡張することにより、このスペクトルや固有状態を求めました。その結果、2つのサブシステムのポイント・ギャップ・トポロジカル数の差が非ゼロとなるスペクトル領域に接合系のスペクトルが現れることが分かり、これが接合系のバルク・エッジ対応であることを示しました。以上の結果をPhys. Rev. B誌Letterとして発表しました。
電子相関のある不規則系において生じる絶縁体-超伝導体転移に関する理論と実験の共同研究を行い、新奇スケーリング則を明らかにし、これを研究結果をScientific Report誌で成果発表しました。
2022度に行ったGKLS方程式の緩和スペクトルに対するトポロジカル相についての発展研究としてPT対象なKitaevチェーンに対する研究成果をJPS Conference Proceedingsで報告しました。
時間対称性のある非ユニタリー量子ウォークについての理論研究および実験セットアップ提案や、非ユニタリー量子ウォークにおける局在・非局在状態の実現に向けた実験を行いました。
2023年8月に、開放系に関する国際会議「Physics of Open Systems & Beyond(POS&BYD)」を北海道大学で主催しました。参加者は140名以上(現地約90名、オンライン約50名)、招待講演14件、一般講演28件、ポスター発表26件でした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ポイント・ギャップ・トポロジカル相に対する接合系のバルク・エッジ対応は、一般的な性質であり、多くの系に適用可能な重要な結果を得ました。さらに、サブシステムの分割数を増加させると、極限でHatano-Nelsonモデルになるため、局在・非局在転移をバルク・エッジ対応の観点から理解する展望が開けました。Hatano-Nelsonモデルの局在・非局在転移については、局在状態の証明は可能ですが、非局在状態や臨界点の存在を明確に証明する手法はまだありません。そこで、ポイント・ギャップ・トポロジカル相に対する接合系のバルク・エッジ対応により、非局在状態や臨界点の存在を示すことができれば、非エルミート系における重要なモデルであるHatano-Nelsonモデルの重要な性質を明らかにすることができます。
また、実験グループとの共同研究により、不規則系における絶縁体-超伝導体転移に関する新奇スケーリング則を明らかにし、電子相関のある不規則系に対する新たなアプローチが可能になりました。
さらに、2023年8月には、開放系に関する国際会議「Physics of Open Systems & Beyond(POS&BYD)」を小布施と羽田野を共同主催者として北海道大学で開催し、自身の研究成果を発表するとともに、本分野を国際的に先導する活動を行いました。参加者は140名以上(現地約90名、オンライン約50名)、招待講演14件、一般講演28件、ポスター発表26件です。学生・ポスドクも積極的に質疑応答に参加し、活発な会議となりました。また、この会議の招待講演者のうち数名を講師とするサマースクールを開催し、本分野の入門的な講義を提供することで、研究分野の裾野を広げました。
以上のことより、研究成果、および研究分野の活性化、若手の国際経験の促進という観点から、本研究は当初の計画以上に進展しています。

Strategy for Future Research Activity

2022年度までの研究により明らかとなった接合系におけるポイント・ギャップ・トポロジカル相の結果を多分割系に拡張します。多分割の極限がHatano-Nelsonモデルに対応することから、分割数を増加させることにより、Hatano-Nelsonモデルの複素スペクトルと非局在化の原因を非エルミート・トポロジカル相の観点から理解することが可能になると期待できます。分割数が少ない場合は、2分割したときと同様に、Non-Bloch理論を拡張する形で解析的に解を導出します。さらにこの結果を元に、実空間繰り込み群を適用することにより、無限系における振舞いを明らかにします。また、このHatano-Nelsonモデルの臨界点におけるマルチフラクタル性を調べます。
また、古典的なドリフト拡散現象を表すマスター方程式の遷移行列がHatano-Nelsonモデルと類似した構造を有することから、Hatano-Nelsonモデル、および非エルミートトポロジカル相の観点から古典的なドリフト拡散現象について研究を行ないます。とくに、古典的なドリフト拡散現象の定常状態に、Hatano-Nelsonモデルの臨界現象が生じるのかについて明らかにします。
さらに、Hatano-Nelsoモデルと同様な非局在転移を示す非ユニタリー量子ウォークについての実証実験を進めます。
また、Z2の非エルミート・ポイント・ギャップ・トポロジカル相に関する研究を発展させます。特に、エルミート系では、Z2トポロジカル数は、偶数の積層系においてトポロジカルに自明となると考えていますが、非エルミート系ではその判例があることが最近の我々の研究により分かりました。この結果から、エルミート系でも同様の現象が起こりうることが期待されるため、この点を明らかにし、エルミート系自体のZ2トポロジカル相の性質の理解を深めます。

Remarks

(1)科研費を使用して開催した国際会議Physics of Open Systems and Beyond (POS&BYD)のwebページ
(2)Scientific Reportsに出版した Fermi glass and bose glassの大学プレスリリース

  • Research Products

    (39 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (30 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 9 results) Book (1 results) Remarks (2 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Advantages of the Kirkwood-Dirac distribution among general quasi-probabilities on finite-state quantum systems2024

    • Author(s)
      Shun Umekawa, Jaeha Lee, Naomichi Hatano
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2024 Pages: 023A02-1--29

    • DOI

      10.1093/ptep/ptae005

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bulk-edge correspondence for point-gap topological phases in junction systems2023

    • Author(s)
      Geonhwi Hwang, Hideaki Obuse
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 108 Pages: L121302-1--6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.108.L121302

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bose glass and Fermi glass2023

    • Author(s)
      Korekiyo Takahashi, Keiji Nakatsugawa, Masahito Sakoda, Yoshiko Nanao, Hiroyoshi Nobukane, Hideaki Obuse, Satoshi Tanda
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Pages: 12434-1--9

    • DOI

      10.1038/s41598-023-39285-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Topological Phases in a PT-Symmetric Dissipative Kitaev Chain2023

    • Author(s)
      Makio Kawasaki, Hideaki Obuse
    • Journal Title

      JPS Conference Proceedings (LT29)

      Volume: 38 Pages: 011165-1--6

    • DOI

      10.7566/JPSCP.38.011165

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Switching the function of the quantum Otto cycle in non-Markovian dynamics: Heat engine, heater, and heat pump2023

    • Author(s)
      Miku Ishizaki, Naomichi Hatano, Hiroyasu Tajima
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 5 Pages: 023066-1--14

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.5.023066

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 非エルミート量子力学の基礎・現在・展望,光科学への期待2024

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
  • [Presentation] ディラック分散関係を持つ粒子浴のマルコフ性と非マルコフ性2024

    • Author(s)
      平良敬乃, 羽田野直道, 西野晃徳
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
  • [Presentation] 2次元量子ウォークの提案:有効 Dirac ハミルトニアンと (高次) トポロジカル相2024

    • Author(s)
      山岸愛, 羽田野直道, 井村健一郎, 小布施秀明
    • Organizer
      Quantum Foundations 2024
  • [Presentation] 非エルミート・トポロジカル相と Julia による任意精度演算2023

    • Author(s)
      小布施 秀明, 黄 健輝, 姜 治宇
    • Organizer
      物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算の時代における物性科学」
    • Invited
  • [Presentation] 開放系の非エルミート量子力学2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      第42回南部コロキウム
    • Invited
  • [Presentation] 非対称ホッピング模型の非エルミート量子力学2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      CRESTトポロジー領域 合同セミナー
    • Invited
  • [Presentation] ギャップ誘起量子ゼノン効果2023

    • Author(s)
      平良敬乃, 羽田野直道, 西野晃徳
    • Organizer
      CRESTトポロジー領域 合同セミナー
  • [Presentation] Multi-Dimensional Quantum Walks: a Playground of Dirac and Schrdinger Particles2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      International Workshop on Functional Analysis and Quantum Physics: interplay challenges perspectives
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum transport in non-Hermitian systems on the Bethe lattice2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      Quantum Transport in Nanoscale Molecular Systems
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum transport on the Bethe lattice with non-Hermitian source and drain2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      20th International Workshop on Pseudo-Hermitian Hamiltonians in Quantum Physics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum transport on the Bethe lattice with non-Hermitian source and drain2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      STATPHYS28 Satellite Meeting PHYSICS OF OPEN SYSTEMSAND BEYOND
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] How we came up with the Hatano-Nelson model2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      STATPHYS28 Satellite Meeting PHYSICS OF OPEN SYSTEMSAND BEYOND
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 量子二準位系における擬確率分布2023

    • Author(s)
      梅川舜,李宰河,羽田野直道
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] ベーテ格子上の非エルミート系における量子輸送2023

    • Author(s)
      羽田野直道,桂法称,川畑幸平
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] 開放型二重量子ドットの時間発展共鳴状態2023

    • Author(s)
      西野晃徳,羽田野直道
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] 量子開放系の有効Liouvillianを用いたGKSL方程式の導出2023

    • Author(s)
      金川隼人, 羽田野直道
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] 近藤量子ウォークの提案2023

    • Author(s)
      山岸愛, 羽田野直道, 西野晃徳, Franco Nori,小布施秀明,
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] Proposal of Kondo quantum walks2023

    • Author(s)
      山岸愛
    • Organizer
      10th International Workshop of Quantum Simulation and Quantum Walks
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Discrete-time quantum walk on complex networks for community detection2023

    • Author(s)
      羽田野直道
    • Organizer
      10th International Workshop of Quantum Simulation and Quantum Walks
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum transport on the Bethe lattice with non-Hermitian source and drain2023

    • Author(s)
      羽田野直道,桂法称,川畑幸平
    • Organizer
      STATPHYS28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Defining a Quantum Active Particle Using Non-Hermitian Quantum Walks2023

    • Author(s)
      山岸愛,羽田野直道, 小布施秀明
    • Organizer
      STATPHYS28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exact solutions of time-evolving scattering states in open quantum-dot systems with interactions2023

    • Author(s)
      西野晃徳,羽田野直道
    • Organizer
      STATPHYS28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子ウォークにおける量子凝縮相2023

    • Author(s)
      小布施 秀明
    • Organizer
      量子凝縮相研究における新展開
    • Invited
  • [Presentation] Non-Unitary Quantum Walk and Topological Phase2023

    • Author(s)
      Hideaki Obuse
    • Organizer
      10th International Workshop of Quantum Simulation and Quantum Walks
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 非エルミート接合系におけるポイントギャップ・トポロジカル相と近接効果2023

    • Author(s)
      ファン ゴンフィ, 小布施 秀明
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] 時間反転対称な非ユニタリー量子ウォークのポイントギャップ・トポロジカル相2023

    • Author(s)
      姜治宇, 小布施秀明
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] 近藤量子ウォークの提案2023

    • Author(s)
      山岸愛, 羽田野直道, 西野晃徳, Franco Nori, 小布施秀明
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
  • [Presentation] 接合系におけるポイントギャップ・トポロジカル相とバルクエッジ対応:多分割拡張2023

    • Author(s)
      ファン ゴンフィ, 小布施 秀明
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
  • [Presentation] 非エルミートLandau-Zener遷移2023

    • Author(s)
      フリーズン龍, 小布施秀明
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
  • [Presentation] Non-Trivial Topological Phase Induced by Stacking Z2 Point-Gap Systems2023

    • Author(s)
      姜治宇, 佐藤昌利, 小布施秀明
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
  • [Book] 非エルミート量子力学2023

    • Author(s)
      羽田野直道, 井村健一郎
    • Total Pages
      232
    • Publisher
      講談社サイエンティフィク
    • ISBN
      978-4-06-532244-4
  • [Remarks] (1)国際会議Physics of Open Systems and Beyondのwebページ

    • URL

      https://sites.google.com/view/pos-byd

  • [Remarks] (2)Fermi glass and bose glassの大学プレスリリース

    • URL

      https://www.hokudai.ac.jp/news/2023/09/post-1300.html

  • [Funded Workshop] Physics of Open Systems and Beyond (POS&BYD)2023

URL: 

Published: 2024-12-25  

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