量子観測で迫る統計力学の基礎と量子情報

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26400406
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 湯浅 一哉 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90339721)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 量子制御 / 量子計測 / 量子推定 / 量子観測 / 量子情報 / 統計力学

研究実績の概要

本研究課題の目的は，量子論の奇妙さを際立たせる「量子観測」が，単に「見る」ことにとどまらず，意外でしかも本質的な役割を果たすテーマを追究することによって量子論の奥深い世界に迫るとともに，それらを利用する独創的なアイデアを創出して量子情報技術に貢献することにあった．「統計力学の基礎」，「観測による量子系制御」，「量子計測」を柱に研究を推進してきたが，最終年度は以下の成果を得た．
■統計力学の基礎　大自由度量子系のエネルギー固有状態一つ一つが熱平衡状態に見えるという“Eigenstate Thermalization Hypothesis (ETH)”を簡単な量子スピン鎖モデルで議論し，系の非摂動エネルギーの縮退がETHの成立に重要であることを明らかにして，国際学会で発表した．
■観測による量子系制御　前年度までに，量子系に対する測定がその系の時間発展を射影する効果で可制御性を劇的に向上できることを示した．逆に，いかなる複雑な時間発展も，可換なハミルトニアンの切り換えで実現される自明な時間発展を射影して得られるものとして理解できることを明らかにした．本年度は，同じことが任意の(一般にユニタリーでない) Markov過程でも成立することを明らかにし，論文発表した．
■量子計測　(1)測定を独立に多数回行ってデータを集める通常の計測スキームとは異なって，測定をたて続けに行って得られる測定データ列から計測対象の値を推定するスキームを追究し，温度を計測する問題に適用してその有用性を明らかにして，論文発表した．(2)計測の過程で系に量子制御を加えることで計測精度を向上させる可能性を追究した．計測精度が最大になるように制御の加え方を最適化するアルゴリズムを構築して量子スピン鎖モデルに適用し，系の一部しか制御や測定をできない制約の下でも顕著な精度向上を見込めることを明らかにして，論文発表した．

備考

早稲田大学物理学科湯浅研究室ホームページ
http://www.f.waseda.jp/yuasa/

研究成果

• [国際共同研究] University of Bari/Scuola Normale Superiore, Pisa(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: University of Bari/Scuola Normale Superiore, Pisa
• [国際共同研究] Aberystwyth Univerisity(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Aberystwyth Univerisity
• [国際共同研究] Princeton University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Princeton University
• [雑誌論文] Long-Lived Entanglement of Two Multilevel Atoms in a Waveguide (2018)
  • 著者名/発表者名: Paolo Facchi, Saverio Pascazio, Francesco V. Pepe, and Kazuya Yuasa
  • 雑誌名: Journal of Physics Communications 巻: 2 ページ: 035006～035006
  • DOI: 10.1088/2399-6528/aaae9f
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the Derivation of the GKLS Equation for Weakly Coupled Systems (2017)
  • 著者名/発表者名: Paolo Facchi, Marilena Ligabo`, and Kazuya Yuasa
  • 雑誌名: Open Systems & Information Dynamics 巻: 24 ページ: 1740017～1740017
  • DOI: 10.1142/S1230161217400170
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Estimating Temperature via Sequential Measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: Antonella De Pasquale, Kazuya Yuasa, and Vittorio Giovannetti
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 96 ページ: 012316～012316
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.96.012316
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Remote Parameter Estimation in a Quantum Spin Chain Enhanced by Local Control (2017)
  • 著者名/発表者名: Jukka Kiukas, Kazuya Yuasa, and Daniel Burgarth
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 95 ページ: 052132～052132
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.95.052132
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lindbladian Purification (2017)
  • 著者名/発表者名: Christian Arenz, Daniel Burgarth, Vittorio Giovannetti, Hiromichi Nakazato, and Kazuya Yuasa
  • 雑誌名: Quantum Science and Technology 巻: 2 ページ: 024001～024001
  • DOI: 10.1088/2058-9565/aa6759
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Can Decay Be Ascribed to Classical Noise? (2017)
  • 著者名/発表者名: Daniel Burgarth, Paolo Facchi, Giancarlo Garnero, Hiromichi Nakazato, Saverio Pascazio, and Kazuya Yuasa
  • 雑誌名: Open Systems & Information Dynamics 巻: 24 ページ: 1750001～1750001
  • DOI: 10.1142/S1230161217500019
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] エネルギー固有状態による熱平衡系の記述: 縮退の重要性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石川慧・門内隆明・湯浅一哉
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会 (東京理科大学)
• [学会発表] Quantum Fluctuation Relation for Nonequilibrium Steady State: Analysis with an Exactly Solvable Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Shohei Morodome, Takaaki Monnai, and Kazuya Yuasa
  • 学会等名: YITP Workshop "Quantum Thermodynamics: Thermalization and Fluctuations"
  • 国際学会
• [学会発表] Eigenstate Thermalization Hypothesis and Degeneracy of Hamiltonian (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ishikawa, Takaaki Monnai, and Kazuya Yuasa
  • 学会等名: YITP Workshop "Quantum Thermodynamics: Thermalization and Fluctuations"
  • 国際学会
• [学会発表] エネルギー固有状態による熱平衡系の記述: 縮退の重要性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石川慧・門内隆明・湯浅一哉
  • 学会等名: 第62回物性若手夏の学校 (岐阜)
• [学会発表] 緩和過程による量子ダイナミクスの射影と量子系制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 牛尾槙之介・湯浅一哉
  • 学会等名: 第62回物性若手夏の学校 (岐阜)