Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

量子コヒーレンス / エンタングルメント / マスター方程式 / 量子コンピュータ / 量子ドット / ジョセフソン接合 / アンチ・バンチング

本研究課題の目的は,量子情報分野への寄与を念頭に,量子コヒーレンスの理解とその制御に関する新たな手法の確立にある.本年度は以下の研究成果を得て,学術誌や国際・国内学会で発表した.
1)量子コヒーレンスの緩和過程を記述するマスター方程式の導出には,通常,対象系と環境系との間に相関のない特殊な初期状態が仮定される.我々は,この仮定を課さない導出法を提示した.この議論は,射影演算子法の再吟味を促すとともに,不可逆性の起源に対する理解ももたらす.
2)マスター方程式は密度演算子に対する方程式であるが,表示を取ってc数の方程式に焼き直して解くのが通常の解法である.これに対し,我々は,演算子形式のまま解く方法を提案した.
3)二つの量子ビットに別の粒子を入射し,散乱することで前者間にエンタングルメントを生成する枠組みを議論した.特に,共鳴散乱が高いエンタングルメントの生成に役立つことを明らかにした.
4)量子コンピュータの実現を目指す系の一つとして,量子ドット系を実験家と連携して検討している.我々が念頭に置いている系では,量子ドット列の端のドット内の量子ビットしか直接測定することができない.それでもなお,量子ドット系全体のダイナミクスと測定が量子系に及ぼす効果を利用することで,量子ビット系全体の状態を読み取れることを示した.
5)量子コンピュータの実現を目指す系として注目されているジョセブソン接合量子ビット系を題材に,多量子ビット系のエンタングルメントを生成する方法を提案した.
6)アンチ・バンチングを題材に,多粒子系の量子統計に起因する量子コヒーレンス,特にそのコヒーレンス長を詳細に議論した.

物性基礎論 / ナノ材料 / 量子ドット / 計算物理 / 共鳴状態 / ファノ共鳴ピーク / 干渉 / 多体束縛状態 / アンダーソン模型 / エンタングルメント / メゾスコピック糸 / 粒子数保存則 / 準安定状態 / 量子細線 / ファノピーク / 統計力学 / メゾスコピック系 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用 / 非エルミート量子力学 / 開放量子系 / 共鳴 / 複素固有値 / 量子ネルンスト効果 / ファノ共鳴 / フラクタル

メゾスコピック系の電気伝導において、メゾスコピック系内の電子間相互作用や、メゾスコピック系に接続されている導線がどのような効果を及ぼすかを議論した。前者が多体の束縛状態を、後者が共鳴状態を生み出すことを明らかにした。

量子情報処理 / 線形光学量子演算 / 量子ドット / エキシトン / 量子ゲーム / エンタングルメント / 量子暗号 / 量子多者間コンピューティング / 量子光学 / 量子コンピューティング

量子情報処理の実現には非現実的なほど強大な非線形光学効果が必要と言われていたが、2001年以来、ベル光子対発生に必要なパラメトリック下方変換程度の弱い非線形光学効果やビームスプリッターおよび偏光ビームスプリッターなどの線形光学素子を使ってもかなりの量子情報処理ができることがわかって来た。本研究はハード面として半導体量子ドットのエキシトンを用いる量子情報のデコヒーレンスやエンタングルメントを、ソフト面として線形光学を用いるエンタングルメント操作や量子ゲームの可能性を追求したものである。
量子ドット間の線形相互作用と現実的非線形相互作用(クーロン相互作用)の下でエキシトン状態のダイナミクスの厳密解を求めた。その結果二つのドット間に強いエンタングルメントを誘起させ得ることを明らかにした。またコヒーレント状態の偶状態(+の重ね合わせ)と奇状態(-の重ね合わせ)をqubitとする場合のデコヒーレンス耐性、デコヒーレンスのドットサイズ依存性を明らかにした。
線型光学を用いる量子演算を簡単なものからエンタングルメント抽出まで体系化した。特に光子カウンターが不完全な場合についてそれぞれの演算の動作について数値的に解析し、現在のカウンターでも高い忠実度でいくつかの演算が可能なことがわかった。
量子ゲーム理論では、非協力型ゲームにおけるエンタングルメントと古典相関の役割を比較し、一般には前者の方がゲームの様相に与える影響は大きいが、初期状態の選択等よっては後者の影響が大きい場合もあることがわかった。また、古典ゲームの拡張として量子ゲームを考えた場合、エンタングルメントの種類によっては拡張になり得る場合とそうでない場合があることがわかった。たとえばGHZ型三粒子エンタングルメントは特別な場合として古典ゲームを含み得るがW型の場合はそうではない。
強い非線形性を用いない量子情報処理としてB92量子暗号の無条件安全性を理論的に検討し、安全条件を求めた。これは1997年にBB84安全性証明が行われて以来の懸案を世界で初めて片付けたものである。固別盗聴に限定した場合から無制限盗聴まで対象とした。また、現在考えられている量子暗号は実質的に鍵配送だけであるが、それを秘密分散に拡張する実際の方法を示した。

ホロノミック量子計算 / デコヒーレンス / Cartan分解 / 超伝導量子ビット / NMR量子コンピュータ / 等ホロノミー問題 / 量子情報空間 / 単一分子磁石 / エンタングルメント / 量子情報空間の計量 / 量子計算 / 量子情報 / 量子ゲート / 量子アルゴリズム加速 / ホロノミー / NMR / 量子ビット / 量子ドット / 液体ヘリウム上の電子

中原と共同研究者は,多量子ビットゲートをモジュール化して量子アルゴリズムの効率的な実装法を開発した.最初これは数学的に理想的なホロノミック量子計算について解析したが,その後より現実的なジョセフソン接合を用いた量子ビット系について研究を行った.この方法で実際に21を素因数分解するにはどれだけの量子ビットと計算ステップが必要か具体的に求めた.ホロノミック量子計算に関しては,その後中原と大阪市大の谷村たちはGrassmann多様体上のStiefel多様体という理想化された状況で,与えられたホロノミーを最短ループで実現する厳密解を求めた.これによりMontgomeryが1991年に投げかけた等ホロノミー問題に完全な解答を与えた.
中原と近藤は近畿大学にNMR量子コンピュータを立ち上げた.本研究では谷村達の協力を得てLie群のCartan分解から得られる時間最適解を求め,それを2量子ビットの分子を使ってNMR量子コンピュータで実行した.計算実行時間とゲート数の減少によりNMRのスペクトルが改善されることを実験的に確かめた.また,与えられた量子アルゴリズムUの後に,簡単なゲートWを加えWUと変更することにより,実行時間が減少できる可能性を指摘し,それをNMR量子コンピュータを用いて実行した.この場合実行時間とゲート数はさらに減少し,スペクトルはさらに改善された.UをWUに「飛ばす」ことから,この方法はワープドライブ,Wはワープゲートとよばれる.
細谷はブラックホール時空におけるホーキング輻射を量子情報理論的に研究し,観測後の測定器をブラックホールに吸収させた場合のエントロピーの変化を研究したほか量子情報空間における計量の研究なども行った.
黒田は量子ディットとしての可能性をもつ単一分子磁石Mn12錯体の化学的な物性を研究した.

【研究分担者】
町田学	東京大学	生産技術研究所	助教	(Kakenデータベース)
榊裕之	豊田工業大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
町田学	東京大学	生産技術研究所	助教	(Kakenデータベース)
榊裕之	豊田工業大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
小芦雅斗	大阪大学	大学院・基礎工学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
山本俊	大阪大学	大学院・基礎工学研究科	COE特任助手
SAHIN Kaya Ozdemir	JST-SORST	平山チーム	グループリーダー(研究者/">(Kakenデータベース)
OZDEMIR Sahin, Kaya	JST-SORST, Hirayama Team, Group Leader
OZDEMIR Sahin Kaya	総合研究大学院大学	先導科学研究科	客員助教授

【研究分担者】
細谷暁夫	東京工業大学	理工学研究科	教授	(Kakenデータベース)
近藤康	近畿大学	理工学部	助教授	(Kakenデータベース)
黒田孝義	近畿大学	理工学部	助教授	(Kakenデータベース)