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Observational entropy and statistical inference: a mathematical study

研究課題

研究課題/領域番号 23K03230
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12040:応用数学および統計数学関連
研究機関名古屋大学

研究代表者

Buscemi F.  名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (80570548)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードmacroscopic entropy / observational entropy / retrodiction / coarse-graining / Umegaki relative entropy / Petz recovery theorem / Bayes theorem / statistical inference
研究開始時の研究の概要

The goal of this research proposal is to establish the mathematical foundations of observational entropy, which is a quantity that plays a central role in the unification of thermodynamic and information-theoretic entropy, and in discussing the physical properties of systems out of equilibrium.

研究実績の概要

The properties of observational entropy as a functional of quantum states and POVMs have been studied with the tools of operator algebras and mathematical statistics. It has been found that observational entropy has many connections with Petz's theory of statistical sufficiency. Such connections allowed us to clarify the meaning of "coarse-graining" as a form of statistical retrodiction. This interpretation greatly simplifies the conceptual foundations of statistical mechanics. A paper about the theory of statistical retrodiction and its formulation in quantum theory has been published. Moreover, the idea of connecting statistical mechanics and retrodiction was at the basis of another paper, published on Physical Review Letters, in which we reformulate the second law of thermodynamics as an equilibrium condition in expected utility theory. Again in connection with observational entropy, two works of the resource theory of quantum measurements have been published: one about quantum measurements incompatibility, another one about quantum measurement sharpness. Finally, in exploring the process of retrodiction in quantum theory, we published a paper about the new idea of "virtual quantum broadcasting", which shows how time-like correlations can be treated within the formalism of quantum theory.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

The research plan is progressing exactly as anticipated, without any delay. The first paper discussing the most important mathematical properties of observational entropy has been published as expected. Moreover, there is a series of follow-up papers that are already under preparation.

今後の研究の推進方策

In the next stage, we plan to generalize the observational entropy to priors different from the uniform distribution. We also plan to study the evolution of observational entropy in isolated systems. Finally, we plan to study the structure of macroscopic states from an algebraic viewpoint. All these projects are very important for our understanding of the foundations of statistical mechanics.

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 8件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 8件、 招待講演 8件)

  • [雑誌論文] A complete and operational resource theory of measurement sharpness2024

    • 著者名/発表者名
      Buscemi, F; Kobayashi, K; Minagawa, S
    • 雑誌名

      Quantum

      巻: 8 ページ: 1235-1235

    • DOI

      10.22331/q-2024-01-25-1235

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Virtual quantum broadcasting2024

    • 著者名/発表者名
      Parzygnat, AJ; Fullwood, J; Buscemi, F; Chiribella, G
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 132 号: 11 ページ: 110203-110203

    • DOI

      10.1103/physrevlett.132.110203

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Observational entropy, coarse-grained states, and the Petz recovery map: information-theoretic properties and bounds2023

    • 著者名/発表者名
      Buscemi, F; Schindler, J; Safranek, D
    • 雑誌名

      New Journal of Physics

      巻: 25 号: 5 ページ: 053002-053002

    • DOI

      10.1088/1367-2630/accd11

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Axioms for retrodiction: achieving time-reversal symmetry with a prior2023

    • 著者名/発表者名
      Parzygnat, AJ; Buscemi, F
    • 雑誌名

      Quantum

      巻: 7 ページ: 1013-1013

    • DOI

      10.22331/q-2023-05-23-1013

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Generalized resource theory of purity: one-shot purity distillation with local noisy operations and one way classical communication2023

    • 著者名/発表者名
      Chakraborty, S; Nema, A; Buscemi, F
    • 雑誌名

      2023 IEEE ISIT

      巻: 2023 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1109/isit54713.2023.10206692

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Unifying different notions of quantum incompatibility into a strict hierarchy of resource theories of communication2023

    • 著者名/発表者名
      Buscemi, F; Kobayashi, K; Minagawa, S; Perinotti, P; Tosini, A
    • 雑誌名

      Quantum

      巻: 7 ページ: 1035-1035

    • DOI

      10.22331/q-2023-06-07-1035

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Computing the quantum guesswork: a quadratic assignment problem2023

    • 著者名/発表者名
      Dall'Arno, M; Buscemi, F; Koshiba, T
    • 雑誌名

      Quantum Information and Computation

      巻: 23 号: 9&10 ページ: 721-732

    • DOI

      10.26421/qic23.9-10-1

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Maxwell’s Demon walks into Wall Street: Stochastic thermodynamics meets expected utility theory2023

    • 著者名/発表者名
      Ducuara, AF; Skrzypczyk, P; Buscemi, F; Sidajaya, P; Scarani, V
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 131 号: 19 ページ: 197103-197103

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.197103

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Incompatible incompatibilities, and how to make them compatible again2024

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      BoseStat@100: International Conference on Photonics, Quantum Information, and Quantum Communication
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Incompatible incompatibilities, and how to make them compatible again2024

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      Quantum TUT Workshop 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Various types of divisibility and the role they play in statistical mechanics2023

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      Mathematical Physics in Quantum Technology: from Finite to Infinite Dimensions
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Resource-theoretic approach to two problems in the theory of quantum measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      54th Symposium on Mathematical Physics
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Measurement sharpness and incompatibility as quantum resources2023

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      25th Conference of the International Linear Algebra Society (ILAS 2023): minisymposium "Tensors and quantum information"
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Petz recovery, Jeffrey retrodiction, and von Neumann’s "other" entropy2023

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      Quantum Information Theory and Mathematical Physics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Measurement sharpness and incompatibility as quantum resources2023

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      Shenzhen-Nagoya Workshop on Quantum Science
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Incompatible incompatibilities, and how to make them compatible again2023

    • 著者名/発表者名
      Francesco Buscemi
    • 学会等名
      Japanese-French Quantum Information 2023 workshop
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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