情報熱力学による生体情報処理の理論研究

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 19H05796
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 沙川 貴大 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60610805)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 創祐 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00771221)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥116,090,000 (Direct Cost: ¥89,300,000、Indirect Cost: ¥26,790,000); Fiscal Year 2023: ¥19,630,000 (Direct Cost: ¥15,100,000、Indirect Cost: ¥4,530,000); Fiscal Year 2022: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000); Fiscal Year 2021: ¥21,970,000 (Direct Cost: ¥16,900,000、Indirect Cost: ¥5,070,000); Fiscal Year 2020: ¥22,880,000 (Direct Cost: ¥17,600,000、Indirect Cost: ¥5,280,000); Fiscal Year 2019: ¥30,810,000 (Direct Cost: ¥23,700,000、Indirect Cost: ¥7,110,000)
• Keywords: 情報熱力学 / 生体情報処理 / 情報幾何 / トポロジー

Outline of Research at the Start

本研究では、情報と熱力学を融合させた理論、すなわち情報熱力学に基づいて、生体情報処理の理論的研究を行う。とくに、生体情報処理は本当に熱力学効率が高いのか、といった基本的な問いに答えることを目指す。また、情報理論の分野で注目を集めている「リソース理論」の考え方、さらにはトポロジーの概念を応用することで、狭義の情報熱力学にとどまらない多角的な理論研究を行う。さらに、情報幾何の手法と熱力学を組み合わせることにより、熱力学的な不確定性関係の新しい理論を発展させ、生体情報処理への応用を行う。

Outline of Annual Research Achievements

2020年度に沙川は、トポロジーの研究を中心的に行った。とくに、非エルミート系においては、例外点と呼ばれる新奇な機構でトポロジカルなエッジモードが保護されることを明らかにした。これは、エルミート系におけるトポロジカル現象の基本原理であるバルクエッジ対応が、非エルミート系においては破れうることを示す、基礎物理として意義の大きな成果である。また、このような現象が実際に細胞集団などのアクティブマターで生じることをモデルに基づいて明らかにした。この結果はNature Communicationsから出版された。さらに、非線形振動子の集団においてトポロジカルな同期現象が生じることを見出し、論文を投稿した。また、熱力学不確定性関係に基づくエントロピー生成推定の新しい手法を開発する研究や、ナノスケールの熱電素子を機械学習によって最適化する研究を行い、いずれも論文が出版された。
伊藤は確率分布の幾何学である情報幾何学と、熱力学の関係について詳しく調べた。まず、Fokker-Planckダイナミクスを情報幾何上の時間発展として捉えることで、クラメルラオ不等式がどう時間発展速度の限界を与えるかについて議論し、熱力学的不確定性関係や熱力学的速度制限などの熱力学トレードオフ関係とどう関係づくかを研究した。この結果はPhysical Review Xに出版された。また、エントロピー生成や部分エントロピー生成などの熱力学及び情報熱力学で重要になってくる量と情報幾何学の射影の考え方がどうか関わってくるかを調べ、 Physical Review Research誌から出版した。その他にも化学熱力学における情報幾何学的な解析や、熱力学不確定性関係を使った時系列からのエントロピー生成の推定、イジングダイナミクスにおける転移点付近の情報の流れの振る舞いの研究も行い、それぞれ論文が出版された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は、当初の計画を大幅に超えて進展していると考えている。まず、沙川が中心になって進めているトポロジーの研究は、細胞集団など生物系におけるトポロジーの役割を理論的に明らかにして実験提案までを行っただけでなく、バルクエッジ対応の破れの発見という、基礎物理として意義の大きな成果に結びついた。この成果はNature Communicationsから出版され、高く評価されている。さらに、非線形振動子におけるトポロジカルな同期現象の発見も、ほとんどが線形系で研究されてきた従来のトポロジカル物理を非線形系へと拡張する研究であり、基礎物理として大きな意義をもっている。これらはいずれも、生物系などアクティブマターの新奇な現象を予測しただけでなく、トポロジカル物理の原理そのものの拡張へと結びつくものである。
また伊藤も、研究計画として掲げていた、情報幾何学という新たな数理的な道具を用いた情報熱力学の進展に関する理論研究について、熱力学的トレードオフ関係や情報熱力学第二法則を情報幾何学を用いて捉え直すという研究を出版に持っていくことができた。特に一本はインパクトが高いPhysical Review Xに出版されたこともあり、当初の計画以上に研究が進んでいるといえる。また新学術の実験班のデータを使って解析するための理論としても、2020年度に出版した熱力学不確定性関係を使った時系列からのエントロピー生成の推定手法の研究は有望であると考えており、新学術に参加している他の実験班との共同研究を複数取り掛かり始めることになった。そのため、2020年度は当初の計画以上に研究が進捗していると考えることができる。

Strategy for Future Research Activity

沙川は今後も、トポロジーの研究を中心的に進めていく。2020年度に引き続き、非線形振動子の集団におけるトポロジカルな同期現象について研究し、その生体内における役割についても検討する。また、それを足掛かりとして、非線形系におけるトポロジーの一般論を視野に入れた研究を進めていく。これは非線形トポロジーという新たな分野を創出しうる挑戦的な試みである。さらに、古典確率過程に特有なトポロジカル現象の可能性と、その生体系における役割の研究も進めていく。
伊藤は今後、2020年度に得られた理論的な成果を足がかりに、新学術の他の班との共同研究について複数進めていくことを考えている。一つは、A01班佐々氏らが進めている熱力学的トレードオフ関係の研究と、我々が考察している情報幾何学的な熱力学との接点を探り、新たな理論を確立していくことである。また、A01班岡田氏などの実験班と、生物現象のモデルをベースに新たに構築した情報熱力学的な取り扱いを応用していく理論研究や、実際の実験で得られた生体時系列データを用いたエントロピー生成の推定の研究を進めていく。とくに、A01班で測定したF1-ATPaseやキネシンのブラウン運動の実験データを用いることで、そのダイナミクスにおけるエントロピー生成を機械学習の手法を用いて推定を行う。これは2020年度に沙川が得た研究成果をベースにしたものであり、今後も伊藤と沙川が協力して研究を行う。また、情報幾何学を用いた生体時系列データの解析を、B03班の青木氏らと進めていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NWO Institute AMOLF(オランダ)
• [Int'l Joint Research] AMOLF(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology(米国)
• [Journal Article] Learning the best nanoscale heat engines through evolving network topology (2021)
  • Author(s): Ashida Yuto、Sagawa Takahiro
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 4 Issue: 1 Pages: 45-45
  • DOI: 10.1038/s42005-021-00553-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Behavior of information flow near criticality (2021)
  • Author(s): Meijers Matthijs, Ito Sosuke, Wolde Pieter Rein ten
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW E Volume: 103 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physreve.103.l010102
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Information geometric inequalities of chemical thermodynamics (2021)
  • Author(s): Yoshimura Kohei, Ito Sosuke
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW RESEARCH Volume: 3 Issue: 1 Pages: 013175-013175
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.013175
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exceptional non-Hermitian topological edge mode and its application to active matter (2020)
  • Author(s): Sone Kazuki、Ashida Yuto、Sagawa Takahiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5745-5745
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19488-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optimizing a quantum reservoir computer for time series prediction (2020)
  • Author(s): Aki Kutvonen, Keisuke Fujii, and Takahiro Sagawa,
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 14687-14687
  • DOI: 10.1038/s41598-020-71673-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Numerical Verification of the Fluctuation-Dissipation Theorem for Isolated Quantum Systems (2020)
  • Author(s): Jae Dong Noh, Takahiro Sagawa, and Joonhyun Yeo,
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 125 Issue: 5 Pages: 050603-050603
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.050603
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Estimating entropy production by machine learning of short-time fluctuating currents (2020)
  • Author(s): Shun Otsubo, Sosuke Ito, Andreas Dechant, and Takahiro Sagawa,
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 101 Issue: 6 Pages: 062106-062106
  • DOI: 10.1103/physreve.101.062106
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stochastic Time Evolution, Information Geometry, and the Cramer-Rao Bound (2020)
  • Author(s): Sosuke Ito, Andreas Dechant
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 10(2) Issue: 2 Pages: 021056-021056
  • DOI: 10.1103/physrevx.10.021056
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Unified framework for the entropy production and the stochastic interaction based on information geometry (2020)
  • Author(s): Sosuke Ito, Masafumi Oizumi, Shun-ichi Amari
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 3 Pages: 033048-033048
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033048
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficiency fluctuations and noise induced refrigerator-to-heater transition in information engines (2020)
  • Author(s): Govind Paneru, Sandipan Dutta, Takahiro Sagawa, Tsvi Tlusty, and Hyuk Kyu Pak,
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14823-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Macroscopic Thermodynamic Reversibility in Quantum Many-Body Systems (2019)
  • Author(s): Philippe Faist, Takahiro Sagawa, Kohtaro Kato, Hiroshi Nagaoka, and Fernando G. S. L. Brandão,
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Issue: 25
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.250601
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Information thermodynamics for interacting stochastic systems without bipartite structure (2019)
  • Author(s): R. Chétrite, M. L. Rosinberg, T. Sagawa, and G. Tarjus,
  • Journal Title: Journal of Statistical Mechanics Volume: 11402 Issue: 11 Pages: 1-55
  • DOI: 10.1088/1742-5468/ab47fe
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heating and cooling of quantum gas by eigenstate Joule expansion (2019)
  • Author(s): Noh Jae Dong、Iyoda Eiki、Sagawa Takahiro
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 100 Issue: 1 Pages: 010106-010106
  • DOI: 10.1103/physreve.100.010106
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 非可換な時間依存ハミルトニアンに対するクロックの実装 (2021)
  • Author(s): 熊崎紘介, 三橋洋亮, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 機械学習による非定常エントロピー生成の変分推定 (2021)
  • Author(s): 大坪舜, Sreekanth K Manikandan, 沙川貴大, Supriya Krishnamurthy
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 非線形量子ドット熱機関におけるパワー・効率限界 (2021)
  • Author(s): 上島卓也, 大坪舜, 蘆田祐人, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 非線形振動子のトポロジカルな同期現象 (2021)
  • Author(s): 曽根和樹, 蘆田祐人, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 熱力学における幾何学：情報幾何学と最適輸送理論 (2021)
  • Author(s): 伊藤 創祐
  • Organizer: 統計物理学懇談会
  • Invited
• [Presentation] 情報幾何に基づいた生細胞内での熱力学的速度限界の実験的検証 (2021)
  • Author(s): 芦田慶太, 青木一洋, 伊藤創祐
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] On the existence of a complete thermodynamic potential for quantum many-body systems (2020)
  • Author(s): T. Sagawa
  • Organizer: CSH Workshop “Stochastic thermodynamics of complex systems”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] リソース理論による量子熱力学--非平衡ポテンシャルの存在証明を中心に-- (2020)
  • Author(s): 沙川貴大
  • Organizer: 第43回量子情報技術研究会 (QIT43)
  • Invited
• [Presentation] 高次の固有状態熱化仮説 (2020)
  • Author(s): 沙川貴大
  • Organizer: 量子多体系の熱力学 --数理の発展と展望
  • Invited
• [Presentation] リソース理論によるマクロ熱力学ポテンシャルの存在証明 (2020)
  • Author(s): 沙川貴大, Philippe Faist, 加藤晃太郎, 長岡浩司, Fernando G.S.L. Brandao
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 非エルミート例外エッジモードとそのアクティブマターへの応用 (2020)
  • Author(s): 曽根和樹, 蘆田祐人, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 対称性制約下における完全に量子的な仕事の取り出し (2020)
  • Author(s): 三橋洋亮, 金子和哉, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 差分進化を用いた最適なナノ熱電熱機関の探索 (2020)
  • Author(s): 蘆田祐人, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 量子多体scarの近似的なSU(2)代数構造の数値的検証 (2020)
  • Author(s): 馬場翔太郎, 金子和哉, 伊與田英輝, 沙川貴大
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] Information geometry, thermodynamics, and biochemical information processing (2020)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: CSH Online Workshop Stochastic thermodynamics of complex systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Information-geometric method to quantify the thermodynamic cost of ERK MAPK activation (2020)
  • Author(s): Keita Ashida, Kazuhiro Aoki, and Sosuke Ito
  • Organizer: The 58th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] The projection theorem in information geometry and the entropy production (2020)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: RIGOROUS STATISTICAL MECHANICS AND RELATED TOPICS II
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermodynamic resource theory of quantum many-body systems (2020)
  • Author(s): Takahiro Sagawa
  • Organizer: Mini-Workshop on Quantum System Engineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 情報処理の熱力学 (2020)
  • Author(s): 沙川貴大
  • Organizer: 新世代研究所 第３回 スピントロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] リソース理論によるマクロ熱力学ポテンシャルの存在証明 (2020)
  • Author(s): 沙川貴大
  • Organizer: 量子論の諸問題と今後の発展（QMKEK7）
  • Invited
• [Presentation] The Fisher information and the entropy production (2020)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: Combining Information-theoretic Perspectives on Agency (CIPA)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 情報理論と確率的な熱力学 (2020)
  • Author(s): 伊藤創祐
  • Organizer: 駒場物性セミナー
  • Invited
• [Presentation] Characterizing complexity of many-body quantum dynamics by higher-order eigenstate thermalization (2019)
  • Author(s): Takahiro Sagawa
  • Organizer: ICTS Workshop "Thermalization, many-body localization and hydrodynamics"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Second law and eigenstate thermalization in isolated quantum many-body systems (2019)
  • Author(s): Takahiro Sagawa
  • Organizer: Fundamental Aspects of Statistical Mechanics and the Emergence of Thermodynamics in Non-Equilibrium Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermodynamic resource theory of quantum many-body systems and generalized quantum Stein's Lemma (2019)
  • Author(s): 沙川貴大
  • Organizer: MINI WORKSHOP ON CLASSICAL AND QUANTUM RESOURCES
  • Invited
• [Presentation] Thermodynamics of information geometry (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: Data analysis and machine learning in dynamical systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermodynamic interpretation of information geometry and thermodynamic uncertainty relationships (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: 2nd MBI-UBI Joint Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermodynamics of information geometry and a generalization of the Glansdorff-Prigogine criterion for stability (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: The East Asia Joint Seminars on Statistical Physics 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermodynamics of information geometry and a generalization of the Glansdorff-Prigogine criterion for stability (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: Workshop on Recent Progress in Mathematical and Statistical Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermodynamics of information geometry and a generalization of the Glansdorff-Prigogine criterion for stability (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: UBI-NanoLSI Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Stochastic thermodynamics and information geometry (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: Statistical physics of complex systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stochastic thermodynamics and information geometry (2019)
  • Author(s): Sosuke Ito
  • Organizer: Statphys 27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Glansdorff-Prigogineの安定性規準と情報幾何の熱力学 (2019)
  • Author(s): 伊藤創祐
  • Organizer: 日本物理学会 2019年 秋季大会
• [Presentation] 生体内での情報と熱の物理法則 (2019)
  • Author(s): 伊藤創祐
  • Organizer: シンポジウム 「生物物理の新展開」
• [Remarks] 沙川研究室
  • URL: http://noneq.c.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 伊藤研究室
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/itogroup/lab/
• [Remarks] 新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」
  • URL: https://infophys-bio.jp/
• [Remarks] 情報による観測量の変化速度の熱力学的な限界を発見
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/6910/