東大,平衡状態における量子もつれの空間分布を完全に決定

東京大学の研究グループは,量子純粋状態で,かつ,平衡状態になっている時の量子もつれの空間分布を完全に決定した(ニュースリリース)。

この空間分布は熱力学エントロピーのみによって決まる。導き出した関数をコンピュータシミュレーションにより検証したところ,物質の種類や平衡状態の作り方を変えても常に同じ分布である事を実証した。この理論は,宇宙に浮かぶブラックホールから,半導体の中にある電子まで,非常に広範に適用可能な理論となっているという。

量子もつれとは量子力学に特有な現象で,2つの量子状態が互いに相関を持った状態。量子コンピューターの計算リソースとして実用されている他,ブラックホールの研究では吸い込まれた情報の量を表すなど,現代物理学に不可欠なキーワードとなっている。

他方,我々の世界 (マクロな熱力学) をミクロな基本法則 (量子力学) から理解する時にも,量子もつれは決定的な役割を果たす。量子純粋状態が平衡状態へと落ち着く過程をコップの水で例えると,水分子同士の衝突により量子もつれが次々と作られ,この量子もつれによって状態は平衡状態へと変化していく。

しかし,平衡状態の中では大量の量子もつれが複雑に絡み合っているため,一体どの程度の量の量子もつれが生じているのか予言できる一般論は存在していなかった。

今回の成果は,量子もつれの量に加え,空間分布を完全に決定,さらにブラックホールから物質中のたくさんの電子にまで普遍的に記述出来ることを示したもの。今回見出された普遍的性質を用いることで,冷却原子系やイオントラップ系といった外界から孤立した量子系の実験データから,その量子系の量子もつれを高精度に解析することが可能になるとしている。

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