2013 Fiscal Year Research-status Report
自律的情報処理を行う分子機械の非平衡統計力学に基づく研究
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25800217
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
沙川 貴大 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (60610805)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ゆらぎの定理 / 情報熱力学 / 熱力学第二法則 |
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| Research Abstract |
平成25年度の研究において、自律的情報処理を行う分子機械について、主として以下のような成果を得た。
（１）複数の自由度が複雑に相互作用して情報交換を行っている状況についての非平衡関係式の研究を行った。その際、複数の系の複雑な相互作用を特徴づけるために、ベイジアンネットワークと呼ばれる数学的手法を用いた。その結果として、多体相関を含む情報の流れの定量化と、それに基いた「ゆらぎの定理」と呼ばれる非平衡関係式と熱力学第二法則の一般化に成功した。情報の流れについては、entropy transferと呼ばれる量を活用し、従来の情報処理の熱力学を適用できなかった状況にも、ゆらぎの定理を一般化することができた。この結果は、分子機械が複雑に相互作用する状況を解析するための重要なステップになると考えられる。この結果はPhysical Review Lettersから、伊藤創祐氏との共著で出版された。
（２）これまでの情報処理の熱力学を、理論的観点からより包括的に再定式化した。これは分子機械を考える上で見通しの良い理論的枠組みを与える重要なものである。この結果のうち一部が上田正仁氏との共著でNew Journal of Physicsから出版され、さらに一部が単著でJournal of Statistical Mechanicsから出版された。
（３）量子系における情報処理において、quantum discordと呼ばれる量が熱力学第二法則とどう関連するかを明らかにする研究を行った。これは、量子効果が重要になる領域での分子機械の研究に重要な役割を果たすと期待される。この結果は、Sang Wook Kim氏らとの共著で、Physical Review Lettersから出版された。
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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
研究計画申請書における当初の計画では、平成25年度においては、「一般論：複数の自由度が相互作用するときの，多体相関の定量化と非平衡関係式の一般化」および「具体的なモデル：空間自由度と内部自由度の結合モデル」の研究を行う予定であった。
まず前者については、「研究実績の概要」における（１）の研究成果によって、完全に達成されたと考えられる。さらに、当初の計画以上に理論的完成度の高い結果を得ることができた。
後者については、まだ論文が出版される段階には至っていないが、F1-ATPaseと呼ばれる内部自由度をもつ生体分子機械のモデルの研究がかなり完成に近い段階まで進んでおり、平成26年度年度には論文を出版できると期待できる。また、このような生体分子機械の解析は、申請書の段階では平成26年度に行う予定であったが、それを前倒しして研究を開始できていると言える。
以上を総合すると、当初の計画以上の進展があったと言えると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度以降も、おおむね研究計画申請書の通りに研究を進め、成果を得ることが期待できる。より具体的には、まず現在進行中または着手したばかりの研究として、（１）F1-ATPaseと呼ばれる生体分子機械の研究、（２）細胞内のシグナル伝達の研究、（３）自律的情報処理を行う分子機械一般に適用できる新しい非平衡関係式の研究、が挙げられる。これらはいずれも研究計画申請書に沿った内容であり、平成26年度～27年度にかけて完成できることが期待される。さらに、上記（１）（２）よりもさらに複雑な分子機械の解析へと研究を進めることで、生体内で分子機械が果たす役割の物理的理解を進めていく予定である。また、（３）を手掛かりとして、研究計画申請書に記載した自律的な情報処理のメカニズムの一般論を構築することを目指す。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
次年度使用額が生じた主な理由は、次の二点による。（１）まず物品について、今年度はクラスタマシンの増設を行わなかったためである。これは、当初想定していたよりも小規模な数値計算のみで、25年度の計画を遂行できたためである。（２）次に旅費について、当初の研究計画申請書においてはマドリッドの協力研究者（Jordan M. Horowitz氏とJuan Parrondo氏）の訪問を予定していたが、研究を進める中で研究内容の細部が変更になったことに対応し、類似の研究を国内の協力研究者（佐々真一氏、川口恭吾氏、白石直人氏ら）と行うことになったためである。
上記の理由に対応し、26年度においては以下のように使用計画を立てている。（１）物品については、26年度以降はやはり大規模な数値計算が必要になると想定されるため、クラスタマシンの増設を26年度に行う。したがって、物品に関しては、25年度に使用しなかった分は、当初の目的通りに26年度に使用する予定である。（２）旅費については、当初の研究計画申請書の段階では25年度に多額の使用が予想されたため、25年度に多く申請し、それを補うために26年度は少額の申請にしていた。すなわち、当初の研究計画の段階では、26年度は協力研究者との情報交換などのための出張を可能な限り減らす予定であった。しかし実際は、上記のように25年度の計画に変更が生じ、26年度への繰り越しになった。そのため、繰り越し分と合わせて、26年度に協力研究者らと十分な情報交換などをするために適切な旅費をまかなうことができると考えられる。
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