Exploration of quantum gravity and quantum matter based on symmetry and information geometry

• Project Area: The Natural Laws of Extreme Universe--A New Paradigm for Spacetime and Matter from Quantum Information
• Project/Area Number: 22H05250
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 田島 裕康 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (60757897)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 量子情報 / 量子重力 / 量子ブラックホール / 対称性 / ブラックホール / 不可逆性 / リソース理論 / 量子情報理論 / 物性理論

Outline of Research at the Start

最近発見された、対称性・不可逆性・量子性の間に普遍的に成立するトレードオフ構造をさらに深めることで、量子重力及び物性理論における理解を深めることを目標とする。この定理は、対称性を守るダイナミクスと、対応する保存量の量子揺らぎの組み合わせで、どのような量子過程が実現可能で、どのようなものが不可能かを判別することが可能になっている。この定理を拡張し、量子重力および物性理論において有用な定理を複数見出すことを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

第二年度である今年度は、前年度に得られた対称性・不可逆性・量子性のトレードオフを用いた応用を探していくことを計画していた。第一にOTOCなどをはじめとしたスクランブリング指標が、対称性があるとき・ないときで時間変化にどのような違いがあるかを調べる応用を目指す。この時同時に、任意の誤差指標でのWigner-Araki-Yanase定理を得られると期待できるので、これを得ることを期待していた。この目標は無事達成され、目的とする任意の誤差や擾乱、OTOCに対してWigner-Araki-Yanase定理を得ることができた。また、前年度に得た結果をpublishを順次していき、PRL3本を含む6本の論文をpublishすることができた。特にWigner-Araki-Yanase定理の連続量拡張を与えたPRL論文では、該当分野のlong standing open problemを解決し、これによってfeatured in physicsにも選ばれた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Nanyang Technological University(シンガポール)
• [Journal Article] Universal Sampling Lower Bounds for Quantum Error Mitigation (2023)
  • Author(s): Takagi Ryuji、Tajima Hiroyasu、Gu Mile
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 131 Issue: 21 Pages: 210602-210602
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.210602
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wigner-Araki-Yanase Theorem for Continuous and Unbounded Conserved Observables (2023)
  • Author(s): Kuramochi Yui、Tajima Hiroyasu
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 131 Issue: 21 Pages: 210201-210201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.210201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Beyond i.i.d. in the Resource Theory of Asymmetry: An Information-Spectrum Approach for Quantum Fisher Information (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Koji、Tajima Hiroyasu
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 131 Issue: 20 Pages: 200203-200203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.200203
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fisher information matrix as a resource measure in the resource theory of asymmetry with general connected-Lie-group symmetry (2023)
  • Author(s): Kudo Daigo、Tajima Hiroyasu
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 107 Issue: 6 Pages: 062418-062418
  • DOI: 10.1103/physreva.107.062418
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Smooth Metric Adjusted Skew Information Rates (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Koji、Tajima Hiroyasu
  • Journal Title: Quantum Volume: 7 Pages: 1012-1012
  • DOI: 10.22331/q-2023-05-22-1012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Switching the function of the quantum Otto cycle in non-Markovian dynamics: Heat engine, heater, and heat pump (2023)
  • Author(s): Ishizaki Miku、Hatano Naomichi、Tajima Hiroyasu
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 2 Pages: 023066-023066
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.023066
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Wigner-Araki-Yanase定理の発展とその周辺: 対称性がダイナミクスにもたらす普遍的制限 (2024)
  • Author(s): 田島裕康
  • Organizer: 第10回QUATUO研究会
  • Invited
• [Presentation] 量子ゲートおよび量子熱機関に対するコヒーレンスの影響の研究 (2024)
  • Author(s): 田島裕康
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Universal trade-off structure between symmetry, irreversibility and quantum coherence (2023)
  • Author(s): Hiroyasu Tajima
  • Organizer: XV. International Workshop LIE THEORY AND ITS APPLICATIONS IN PHYSICS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Universal trade-off structure between symmetry, irreversibility and quantum coherence (2023)
  • Author(s): Hiroyasu Tajima
  • Organizer: Quantum Thermodynamics 2023
  • Int'l Joint Research