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対称性で多様化したトポロジカル相の基礎理論の構築と実現法の提案

研究課題

研究課題/領域番号 18K03446
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分13010:数理物理および物性基礎関連
研究機関慶應義塾大学 (2019-2023)
東京大学 (2018)

研究代表者

古川 俊輔  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (50647716)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
キーワード物性理論 / トポロジカル秩序 / 冷却原子系 / 量子ホール効果 / 磁性 / フラストレーション / 量子スピン液体 / 量子エンタングルメント / 人工ゲージ場 / ボースアインシュタイン凝縮体 / 渦格子
研究実績の概要

本研究課題は、対称性により多様化したトポロジカル相(symmetry enriched topological相; SET相)について、具体例の構築、実現法の提案、情報論的・操作論的特徴づけを行うことを目的としている。2023年度の成果は以下の2点である。
[1]カイラリティ型4体相互作用を有するスピン1/2梯子XXZ模型において、対称性で保護されたトポロジカル相(SPT相)と種々の秩序相が競合する豊かな相図が現れることを有効場の理論および数値解析から示し、論文として発表した。この研究は、2022年度に解析していた4体リング交換相互作用模型からエッセンスを抽出し、詳細に解析したものである。また、2020、2021年度に発表した、ダイマー型4体相互作用を有する梯子XXZ模型に関する成果から着想を得たものでもあり、双対性を利用することでより多彩な相図を得ることに成功した。特に、互いに双対な2つのSPT相が現れ、そのいずれもがHaldane状態のある種の捻り対応物とみなせるが、それらが時間反転対称性を課すもとで明確に区別されることをトポロジカル指数の計算から示した。また、これらの間の相転移の属する普遍クラスを、ハードコアボソン描像から論じ、数値計算において検証した。
[2]一次元スピン鎖におけるトポロジカル相転移を量子コンピュータで観測するための研究を行った。基底状態が次元2の行列積状態で記述される場合について、実機によりストリング相関を計測し、トポロジカル相転移を観測した先行研究がある。しかし、実機のノイズの影響のために、相関の計測値は理論値から大きくずれていた。そこで、近年発展する量子誤り軽減法の中から仮想蒸留法を適用し、ノイズのあるもとでもストリング相関を精度良く計測できるかをシミュレーションにより検証した。この成果について、複数の国際研究会において口頭・ポスター発表を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題の実施計画においては、(1)人工磁場中のn成分Bose気体における量子ホール状態、(2)結晶対称性により多様化したトポロジカル相、(3)SET相の情報論的・操作論的基礎の構築を具体的課題として挙げている。
スピン梯子模型は、RS状態、Haldane状態と秩序相の競合について、これまで膨大な研究が行われていた。一方、RS状態、Haldane状態の捻り対応物については少数の先行研究はあったものの、それらがどのようなパラメータ領域に現れ、他の相とどう競合するかについてあまり研究が行われていなかった。我々が2020から2023年度に発表した4編の論文により、過去に研究されていた4体相互作用模型やフラストレート模型からわずかにパラメータ空間を拡張することでこれらの捻り状態が現れること、秩序相との競合による豊かな相図が形成されることが明らかになった。特に、2023年度のカイラリティ型4体相互作用を有する模型に関する成果では、双対性を利用することで、それまでに得られていたものよりもより多彩な相構造を得ることに成功した。互いに双対な2つのSPT相は、結晶対称性と時間反転対称性で保護された状態であり、その検出にエンタングルメントの視点を用いていることから、(2)、(3)の課題の応用例となるものである。加えて、2023年度から進行する、量子コンピュータでの誤り抑制法を用いたストリング相関の計測の研究は、量子制御技術のトポロジカル相研究への応用として、(3)の課題に資するものである。シミュレーションによる検証を進めたのち、クラウド上で利用可能な実機でのストリング相関計測に結び付けたい。

今後の研究の推進方策

2023年度に取り組んだ、カイラリティ型4体相互作用を有するスピン1/2梯子XXZ模型の研究について、結合定数が正負の場合にパラメータ空間を拡張し、基底状態相図の全貌を解明する。このような拡張された空間においては、2種類の双対変換を利用することができ、有効場の理論と組み合わせることで、相図の概形を解析的に予言する。厳密対格化および密度行列繰り込み群による数値解析を行い、相図を定量的に決定するとともに、相転移の普遍クラスをエンタングルメント・エントロピーにより解析する。これらの一連の結果を論文としてまとめる。
2018年度から取り組んでいるn成分Bose気体の量子ホール状態について、トポロジカルな場の理論との比較検討や端状態の安定性に関する解析を加えた上で論文を完成させる。
2021年度までの二成分BECの渦格子の研究で得た知見を、光格子中の冷却原子系に応用する。具体的にはトポロジカルHaldane模型を二成分ボソン系に拡張した模型を考える。ゲージ場が二成分に対して平行か反平行かで成分間エンタングルメントや凝縮率にどのような違いが現れるかをBogoliubov理論により調べる。その結果をもとに、二成分Haldane-Bose-Hubbard模型における量子(スピン)ホール状態に関する先行研究の結果の解釈を試みる。このような研究を通して、ゲージ場中の量子多体系に関するより一般的な法則を見出す。

報告書

(6件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 2018 実施状況報告書
  • 研究成果

    (42件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 2件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 17件、 招待講演 5件)

  • [国際共同研究] Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Symmetry, topology, duality, chirality, and criticality in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction2024

    • 著者名/発表者名
      Fontaine Mateo、Sugimoto Koudai、Furukawa Shunsuke
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 号: 13

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.134413

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ground-state phase diagram of a spin-1/2 frustrated XXZ ladder2022

    • 著者名/発表者名
      Ogino Takuhiro、Kaneko Ryui、Morita Satoshi、Furukawa Shunsuke
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 15 ページ: 155106-155106

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.155106

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vortex lattices in binary Bose-Einstein condensates: Collective modes, quantum fluctuations, and intercomponent entanglement2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshino Takumi, Furukawa Shunsuke, Ueda Masahito
    • 雑誌名

      Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics

      巻: - 号: 10 ページ: 1-22

    • DOI

      10.1088/1361-6455/ac68b6

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Symmetry-protected topological phases and competing orders in a spin-1/22021

    • 著者名/発表者名
      Ogino Takuhiro、Furukawa Shunsuke、Kaneko Ryui、Morita Satoshi、Kawashima Naoki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 7 ページ: 075135-075135

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.075135

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetoelastic study on the frustrated quasi-one-dimensional spin-12 magnet LiCuVO42021

    • 著者名/発表者名
      A. Miyata, T. Hikihara, S. Furukawa, R. K. Kremer, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 号: 1 ページ: 1-8

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.014411

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Continuous phase transition between Neel and valence bond solid phases in a J-Q-like spin ladder system2021

    • 著者名/発表者名
      T. Ogino, R. Kaneko, S. Morita, S. Furukawa, N. Kawashima
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 号: 8 ページ: 085117-085117

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.085117

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Intercomponent entanglement entropy and spectrum in binary Bose-Einstein condensates2021

    • 著者名/発表者名
      T. Yoshino, S. Furukawa, and M. Ueda
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 103 号: 4

    • DOI

      10.1103/physreva.103.043321

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Continuous Phase Transition without Gap Closing in Non-Hermitian Quantum Many-Body Systems2020

    • 著者名/発表者名
      N. Matsumoto, K. Kawabata, Y. Ashida, S. Furukawa, M. Ueda
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 125 号: 26 ページ: 260601-260601

    • DOI

      10.1103/physrevlett.125.260601

    • NAID

      130008152629

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of Dzyaloshinskii-Moriya Interactions in Volborthite: Magnetic Orders and Thermal Hall Effect2020

    • 著者名/発表者名
      S. Furukawa, T. Momoi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 号: 3 ページ: 034711-034711

    • DOI

      10.7566/jpsj.89.034711

    • NAID

      40022185858

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Collective modes of vortex lattices in two-component Bose-Einstein condensates under synthetic gauge fields2019

    • 著者名/発表者名
      T. Yoshino, S. Furukawa, S. Higashikawa, M. Ueda
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 21 号: 1 ページ: 1-23

    • DOI

      10.1088/1367-2630/aaf373

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Symmetry, topology, duality, chirality, and criticality in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction2024

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      The 6th R-CCS International Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Symmetry, topology, duality, chirality, and criticality in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa2024

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      The 2nd young researchers' workshop of the Extreme Universe Collaboration
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Error-mitigated quantum computation of string order parameters across a topological phase transition2024

    • 著者名/発表者名
      R. Kawase and S. Furukawa
    • 学会等名
      The 2nd young researchers' workshop of the Extreme Universe Collaboration
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Symmetry, topology, duality, chirality, and criticality in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction2024

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      サスティナブル量子AI研究拠点第3回全体会議
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Error-mitigated quantum computation of string order parameters across a topological phase transition2024

    • 著者名/発表者名
      R. Kawase and S. Furukawa
    • 学会等名
      SQAI-NCTS Workshop on Tensor Network and Quantum Embedding
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Symmetry, topology, duality, chirality, and criticality in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction2024

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      SQAI-NCTS Workshop on Tensor Network and Quantum Embedding
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Phase diagram of a spin-1/2 XXZ ladder with four-spin ring exchange2023

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      YIPQS Long-Term Workshop: Quantum Information, Quantum Matter, and Quantum Gravity
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Vector chiral order and symmetry-protected topological phases in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction2023

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      Computational Approaches to Quantum Many-Body Systems
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Error-mitigated quantum computation of string order parameters across a topological phase transition2023

    • 著者名/発表者名
      R. Kawase and S. Furukawa
    • 学会等名
      Computational Approaches to Quantum Many-Body Systems
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 結合トライマー模型によるボルボサイトの理論2022

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔
    • 学会等名
      第17回量子スピン系研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Magnetic properties of volborthite determined by a coupled-trimer model2022

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Furukawa, Tsutomu Momoi
    • 学会等名
      International Workshop on Microscopic Properties of Quantum Materials
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] スピン1/2フラストレートXXZ梯子の基底状態相図II2022

    • 著者名/発表者名
      荻野卓啓, 金子隆威, 森田悟史, 古川俊輔
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Phase diagram of a spin-1/2 XXZ ladder with four-spin ring exchange2022

    • 著者名/発表者名
      M. Fontaine, K. Sugimoto, and S. Furukawa
    • 学会等名
      Novel Quantum States in Condensed Matter 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum entanglement in topological phases and symmetry-broken phases2022

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Furukawa
    • 学会等名
      Quantum Information Entropy in Physics
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] スピン1/2フラストレートXXZ梯子の基底状態相図2021

    • 著者名/発表者名
      荻野卓啓, 金子隆威, 森田悟史, 古川俊輔
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 四体相互作用を含むスピン1/2XXZ梯子系における秩序相と対称性によって保護されたトポロジカル相2021

    • 著者名/発表者名
      荻野卓啓, 金子隆威, 森田悟史, 古川俊輔, 川島直輝
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 人工ゲージ場中の二成分Bose-Einstein凝縮体における渦格子の集団励起と結合定数の繰り込み2021

    • 著者名/発表者名
      吉野匠, 古川俊輔, 上田正仁
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 二成分Bose-Einstein凝縮体における成分間エンタングルメント・エントロピー2020

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔, 吉野匠, 上田正仁
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] スピンラダー系におけるNeel-VBS連続相転移の数値的検証22020

    • 著者名/発表者名
      荻野卓啓, 金子隆威, 森田悟史, 川島直輝, 古川俊輔
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 多成分ボース気体の量子ホール物理:対称性による保護と富化2020

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔
    • 学会等名
      Bose-Einstein凝縮体の数学的側面
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ボルボサイトにおけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用の効果II2020

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔、桃井勉
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Fractional quantum Hall states with symmetry-enriched edge modes in multicomponent Bose gases2019

    • 著者名/発表者名
      S. Furukawa, M. Ueda
    • 学会等名
      Frontiers of Statistical Physics (FSP2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum fluctuations of vortex lattices in binary Bose-Einstein condensates: Phase diagrams and intercomponent entanglement2019

    • 著者名/発表者名
      T. Yoshino, S. Furukawa, M. Ueda
    • 学会等名
      4th Kyoto-Beijing-Tokyo Workshop on Ultracold Atomic Gases
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum fluctuations of vortex lattices in binary Bose-Einstein condensates: Phase diagrams and intercomponent entanglement2019

    • 著者名/発表者名
      T. Yoshino, S. Furukawa, M. Ueda
    • 学会等名
      International Conference on Topological Materials Science 2019 (TopoMat2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 多成分ボース気体の量子ホール物理:対称性による保護と富化2019

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔、上田正仁
    • 学会等名
      第4回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ボルボサイトにおけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用の効果:磁気秩序と熱ホール効果2019

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔、桃井勉
    • 学会等名
      第4回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Dzyaloshinskii-Moriya interactions in volborthite: magnetic orders and thermal Hall effect2019

    • 著者名/発表者名
      S. Furukawa, T. Momoi
    • 学会等名
      Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems (TPFC 2019)
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum Hall states with symmetry-enriched edge modes in multicomponent Bose gases2018

    • 著者名/発表者名
      S. Furukawa, M. Ueda
    • 学会等名
      International Conference on Multi-Condensate Superconductivity and Superfluidity in Solids and Ultra-cold Gases (MultiSuper2018)
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum Hall states with symmetry-enriched edge modes in multicomponent Bose gases2018

    • 著者名/発表者名
      S. Furukawa, M. Ueda
    • 学会等名
      International Workshop on Symmetry and Topology in Condensed-Matter Physics
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum Hall states with symmetry-enriched edge modes in multicomponent Bose gases2018

    • 著者名/発表者名
      S. Furukawa, M. Ueda
    • 学会等名
      The 3rd Beijing-Tokyo Workshop on Ultracold Atomic Gases
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] n成分ボース気体の分数量子ホール状態:対称性により富化された端モード2018

    • 著者名/発表者名
      古川俊輔、上田正仁
    • 学会等名
      日本物理学2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2024-12-25  

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