| 研究課題/領域番号 |
23K24915
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| 補助金の研究課題番号 |
22H03659 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分61040:ソフトコンピューティング関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
長谷川 禎彦 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (20512354)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2024年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
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| キーワード | 量子推定 / 開放量子系 / 量子熱力学 / 熱力学不確定性関係 / 量子情報 / 量子確率過程 / 不確定性関係 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
2016年に古典非平衡熱力学において熱力学不確定性関係と呼ばれる不等式が発見された. 熱力学不確定性関係は「熱力学コスト」と「精度」に対する不等式で, 高い精度を達成するには高い熱力学コストが必要であることを示している.このようなコストと精度の関係は, 量子熱機関や量子計算においても注目されている.本研究課題では,統計的推定理論によって量子熱力学不確定性関係を導出する. 量子熱力学不確定性関係が明らかになることで, 理論的に最も精度効率の高い量子デバイスの設計原理が明らかと なる.
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| 研究実績の概要 |
この研究課題では、量子熱力学とその関連分野における理論や実験の研究を行い、以下のような主要な成果を得た。まず、リー代数を用いた量子位相縮約の手法を提案し、量子系の力学的性質を簡潔に記述する方法を開発した。次に、熱力学的な相関不等式を導き出し、非平衡定常状態における熱力学的な制約を明らかにした。さらに、不定因果順序を用いた量子バッテリーの充電方法を理論と実験の両面から研究し、効率的な量子バッテリーの充電が可能だと示した。また、マルコフ過程におけるエントロピー生成の上限を導き出し、非平衡定常状態の熱力学的性質を特徴付ける新しい指標を提案した。最後に、バルクとバウンダリーの対応を用いて、スピード制限や熱力学的不確定性関係、ハイゼンベルクの原理を統一的に説明する理論的枠組みを構築した。これらの研究成果により、量子熱力学の基礎的な理解が深まり、量子熱機関やナノスケールの熱力学的デバイスの設計に対する理解が深まると期待される。この研究課題の成果は、国際的に著名な学術誌に掲載され、量子熱力学分野の発展に寄与した。今後は、これらの成果をさらに発展させて、その応用を目指す。
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| 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
昨年度に引き続き、この研究課題は順調に進展した。当初の計画に従って、量子熱力学における理論的および実験的な研究を精力的に進めた結果、以下の主要な成果を得た。リー代数を用いた量子位相縮約の手法を提案し、量子系の力学的性質を簡潔に記述する方法を開発した。熱力学的な相関不等式を導出し、非平衡定常状態における熱力学的な制約を明らかにした。不定因果順序を用いた量子バッテリーの充電方法を理論的および実験的に研究し、効率的な量子バッテリーの充電が可能であることを示した。マルコフ過程におけるエントロピー生成の上限を導出し、非平衡定常状態の熱力学的性質を特徴づける新たな指標を提案した。バルクとバウンダリーの対応を用いて、スピード制限、熱力学的不確定性関係、およびハイゼンベルクの原理を統一的に説明する理論的枠組みを構築した。これらの研究成果は、国際的に著名な学術誌に合計5報の論文として発表された。特に、Physical Review LettersやNature Communicationsといった高いインパクトファクターを持つ学術誌に論文が掲載されたことは、この研究課題の成果が国際的に高く評価されていることを示している。このように、この研究課題は当初の目標を達成し、量子熱力学分野の発展に大きく寄与した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究方針としては，さらなる統計的推定理論の適用や，量子推定理論を非平衡熱力学に適用することを考えている. 具体的には，量子状態の幾何的な性質に基づき，量子熱力学不確定性関係を導出することを考えている. 特に，量子系における熱力学不確定性関係はまだ研究がほとんど進んでいない分野である.現在ある研究では特定のケースによって示されているが，幾何的性質を用いることで，一般的な系で成立する関係式を導出することができると考えている.
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