【研究領域課題番号】20K03772 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 時間最適性 / 量子最適効果曲線 / ポントリャーギン最大値原理 / 特異制御 / 量子制御 / 時間最適制御 / 最大値原理

【研究成果の概要】

本課題研究の目的は量子系を素速く精確に制御する方法を明らかにすることである。制御とは系を所望の状態に保ったり変化させることを指す。量子系を自在 に制御するためには外場や測定の影響を理解する必要がある。特に、最適制御の研究は量子ダイナミクスの限界を明らかにするという基礎研究のみならず、情報処理への応用という面でも意義が大きい。例えば現在の量子計算機においては、量子状態が壊れてしまう前にできるだけ多くの計算を行うことをが必須である。 研究代表者は、従来から時間最適制御を変分原理により求める方法を開発してきた。それは「量子最速曲線法」と呼ばれている。昨年度は、時間最適量子制御に対する基礎理論を構築・確立した。与えられた制限下で所望の量子操作を最速に行う方法を求める理論である。これを、量子最 速曲線法を「ポントリャーギン最大値原理」という手法で拡張することで実現した。その結果、従来扱えなかった不等式拘束条件を扱えるようになり、理論および応用上遭遇するほぼ全ての状況に適用可能となった。
本年度は、確立された理論を実際に応用すべく研究を継続中である。特に、我々の方法を用いれば既存の方法を越えた計算速度を実現可能であることを示すための研究を遂行中である。特に、本学量子計算センターで利用可能な量子計算機実機への具体的応用をシミュレート中である。一方、確立した量子最速曲線理論の周知および普及にも資するべく、理論を招待公演にて紹介し、国外専門誌において来年度出版予定の招待論文を執筆中である。コロナ禍で多少の遅れが生じているが、研究の基礎段階の遂行および若手の研究協力者の育成を進めることができた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究領域課題番号】19H01821 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子技術 / 量子情報 / 超伝導量子回路 / 電子トラップ / 量子エレクトロニクス / 単一電子検出 / パウルトラップ / ハイブリッド量子系 / 低温電子源 / 高電圧超伝導回路 / 極低温極高真空 / 超伝導ナノワイヤ検出器 / 量子制御 / イオントラップ

【研究成果の概要】

振動電場によって真空中に捕獲された電子を用いることで、長いコヒーレンスと速い制御を両立した量子系を構築することができる。しかし、電子は光によって量子制御することが難しいために、これまで制御された量子系として実現されてこなかった。そこで、本研究では、極低温環境において電子を捕獲し、その量子状態を超伝導マイクロ波回路を用いて観測・制御することを目指して研究をしている。
令和３年度では、極低温下での低エネルギー電子を検出する方法として、超伝導ナノワイヤを用いた単一電子検出器の開発を行った。光電効果により発生した電子を静電レンズで集束し、超伝導ナノワイヤに照射した。この方法により、20 eV程度という低エネルギーの単一電子を検出することに成功し、バイアス電流の変化による量子効率の変化などを評価した。また、極低温での電子トラップのための低エネルギー電子源を開発した。原子の光イオン化閾値ぎりぎりの波長のレーザー光を照射することでmeVオーダーの電子を発生させることに成功した。
さらに電子を捕獲制御するシステムとして、新しく同軸マイクロ波共振器を用いたものを提案し、その閉じ込め深さや必要なマイクロ波強度のシミュレーションを行った。この系は室温でも電子のトラップが可能であり、電子の振動検出に十分なQ値が実現する。
これらのシステムを用いた電子捕獲や電子の冷却方法の提案について、また低エネルギー電子生成の結果について論文としてまとめた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究領域課題番号】18K03470 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子制御 / 量子計測 / 量子断熱定理 / 量子レザバー計算 / 量子測定 / 量子操作 / 量子Zeno効果 / 断熱定理 / 一般化されたGibbs状態 / エンタングルメント / Renyiエントロピー / 量子情報 / 統計力学 / 量子推定 / Maxwellの悪魔

【研究成果の概要】

本研究課題の目的は，「量子測定」と「量子制御」をキーワードに，それらが意外ながら本質的な役割を果たすテーマに取り組んで，「量子情報技術」や「統計力学の基礎」に貢献することにある．「量子計測」，「測定による量子制御」，「統計力学の基礎」を柱に研究を推進しており，第4年度の今年度は以下の成果を得た．
■様々な量子制御の手法が「量子断熱定理」に基づいていることを認識し，量子断熱定理の一般化と深化に取り組んでいる．これまでの研究で，定常Markov過程としては一般の量子開放系の時間発展を扱えるように一般化するとともに，量子断熱定理が任意の長時間にわたって成立することを示したが，この知見に基づいて系の保存量の摂動に対する安定性を議論し，有限次元量子系の保存量には摂動に対して安定な保存量と脆弱な保存量があることを明らかにした．これは古典力学系におけるKAM理論の量子力学版と考えることができる．この研究成果はPhysical Review Letters誌に掲載されるとともに，一般向けの紹介記事も2つのサイトに掲載された．
■様々な量子効果や量子過程を活用して計測精度を向上させる「量子計測」に関する研究を行なっている．今年度の研究では，計測過程がノイズの影響を受けてしまう状況でも「量子過程の順序の量子重ね合わせ」によってノイズの影響を抑制しつつ計測することが可能になる例を示し，学会発表した．
■量子多粒子干渉効果がもたらすある種の非線形性によって量子光学回路をレザバーとして機能させる「量子レザバー計算」の可能性を検討した．量子光学回路に入力する光の量子状態のエンタングルメントやエントロピーといった特徴量をレザバー計算で推定・計測できることを示すとともに，それが出力光を検出する検出器の効率や量子光学回路の光子損失，位相緩和に対して頑強であることを示し，学会発表した．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】26400406 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子観測 / 量子制御 / 量子計測 / 量子情報 / 統計力学 / 熱平衡系 / 非平衡系 / 量子推定 / 量子光学 / 典型性 / 量子干渉 / 対称性の自発的破れ / 非平衡定常状態

【研究成果の概要】

量子力学の世界の奇妙さを際立たせる役者の一人である「量子観測」をキーワードに，それが単に「見る」ことにとどまらず，意外なところで本質的な役割を果たす様々な興味深いテーマに取り組んだ．特に，「量子計測」，「量子制御」，「統計力学の基礎」における「量子観測」の役割に焦点を当てて研究を展開し，「量子計測」や「量子制御」に関わる独自のアイデアを追究して「量子情報技術」に貢献するとともに，「統計力学の基礎」に新たな視点を提供した．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】23244080 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子制御 / 量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ

【研究成果の概要】

本研究では、スクイーズド光を用いたアダプティブホモダイン測定に成功し、その成果がScience誌に掲載された(H. Yonezawa et al., Science 337, 1514 (2012))。また、共振器長48mmの超小型リング共振器パラメトリック発振器および超広帯域ホモダイン測定器の開発に成功し、高レベル・広帯域のスクイーズド光生成および測定に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】49,010千円 (直接経費: 37,700千円、間接経費: 11,310千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】21740294 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子論基礎 / 量子情報 / 量子観測 / 量子コヒーレンス / 量子制御 / 量子推定 / 量子干渉 / 量子計測 / 量子―古典境界 / 量子測定 / ボース凝縮 / 対称性の破れ / 量子-古典境界 / 超伝導 / 工子観測 / エンタングルメント / 繰り込み

【研究成果の概要】

量子と古典の違いを際立たせる様々な要素のうち「量子コヒーレンス」と「量子観測」に焦点を当て,両者が意外な関わりを持って紡ぐ興味深い現象や方法論を追究した.単に,量子コヒーレンスをいかに捉えるかにとどまらず,量子コヒーレンスがいかに発現するか,量子コヒーレンスをいかに制御するかといったところにまで量子観測が重要な役割を果たす.そんなテーマを通じて量子論の奥深い世界に迫るとともに,量子情報技術に貢献する知見を提供した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】制御工学

【研究領域課題番号】17656137 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子力学系 / スピン系 / 連続測定 / 量子制御 / 量子フィルタリング / 量子情報

【研究成果の概要】

本研究では量子情報機器案現の基礎とすべく,速続測定が可能な量子力学系を念頭に,量子ダイナミクスのための制御理論の構築とその実用を目指している.連続測定下における量子ダイナミクスとして,非線形確率微分方程式となるマスター方程式(SME)が得られている.本研究では主としてこのSMEを制御対象とし,制御論的観点からみた解析や制御系設計について研究を進める.なお本研究は,カリフォルニア工科大学の山本直樹との共同研究である.
本年度は次の3点についての結果を得た
量子フィルタリングの安定性
近年,出力信号を用いて量子状態を連続時間的に推定するという,量子フィルタリングの理論が盛んに研究されている.しかし最適フィルタの安定性については,これまで十分な議論がなされておらず,その実用化にはこれを確かめる必要がある.本研究では最適量子フィルタの,ある条件化での安定性を理論的に示すことができた.
量子スピン系の安定化
量子コンピュータなどの実現には,情報表現の媒体として量子スピン系を利用することが考えられている.このスピン系を,外界からのノイズの影響に対してロバストに操作するためには,そのフィードバック制御が不可欠となる.ここでは出力信号から量子状態を推定する量子フィルタリングの理論を用い,スピン系のフィードバック制御を考える.従来,スイッチングにより,所望の基底状態へと確率収束させる手法が提案されてきたが,実用化にはスイッチングを用いない連続制御入力による安定化の手法が望まれるところである.ここでは,一般次元でそのような制御器が存在することを理論的に示すことに成功した.
エントロビーに基づく量子ダイナミクスの解析
連続測定下にある量子力学系のダイナミクスは,複雑な確率微分方程式により記述されるが,微分方程式中の各項の物理的意味について,これまで明らかにはされてこなかった.ここでは情報量と密接な関係をもつエントロピーに着目し,その増減に寄与する項を分類することにより,量子ダイナミクスの物理的構造について,特に観測量との関係を踏まえて明らかにした.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】2,600千円 (直接経費: 2,600千円)