理論物理学のための量子情報理論基礎

Planned Research

Project Area	The Natural Laws of Extreme Universe--A New Paradigm for Spacetime and Matter from Quantum Information
Project/Area Number	21H05183
Research Category	Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Transformative Research Areas, Section (II)
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	森前智行京都大学, 基礎物理学研究所, 准教授 (50708302)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	中田芳史京都大学, 基礎物理学研究所, 特定准教授 (10808992) 早川龍京都大学, 白眉センター, 特定助教 (60988377) Buscemi F. 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (80570548) 東浩司日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 特別研究員 (90599549)
Project Period (FY)	2021-09-10 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help	¥78,260,000 (Direct Cost: ¥60,200,000、Indirect Cost: ¥18,060,000) Fiscal Year 2025: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000) Fiscal Year 2024: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000) Fiscal Year 2023: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000) Fiscal Year 2022: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000) Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Keywords	量子情報 / 量子暗号
Outline of Research at the Start	宇宙や素粒子といった極限の領域における物理理論を構築し、物理現象を理解するために、量子情報のツールを用いてアプローチする。具体的には量子計算や量子誤り訂正符号、量子暗号、量子ランダムネス、量子チェンネル、量子ネットワークなどにおいて発展してきた理論をさらに進化させることにより、極限宇宙を理解するための言語を整備することを目指す。
Outline of Annual Research Achievements	今年度も、量子情報の基礎を推進するとともに、極限宇宙の物理を理解する言語を整備する目的で研究を遂行した。特に、今年度は、古典暗号において最も基礎的な仮定である、一方向性関数から量子超越性の存在を証明した。この量子超越性は検証者が最後にunboundedになるようなproofs of quantumnessの一般化であり、サンプリング量子超越性などの幅広い量子超越性を含んだ概念である。また、common Haar random stateモデルと呼ばれる、各人がランダムハール状態を使用できるような設定においては、量子コミットメントが無条件に構成可能であることを証明した。このようなものは古典ではできることが知られておらず、量子暗号の量子優位性を示す。最後に、一方向性関数のみから量子公開鍵の公開鍵暗号を構成することにも成功した。古典暗号においては一方向性関数のみから公開鍵暗号を作ることは不可能だろうと信じられており、この成果も量子暗号における量子の優位性を示している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 暗号理論のトップ国際会議に論文を複数掲載することができた。
Strategy for Future Research Activity	今後も、量子情報の基礎を推進するとともに、極限宇宙の物理を理解する言語を整備する目的で研究を遂行する。特に、メタ複雑性と量子暗号のプリミティブの間の関係や、量子学習の困難さとの関係を明らかにする。