理化学研究所(理研)革新知能統合研究センター汎用基盤技術研究グループ数理科学チームの桑原知剛研究員と慶應義塾大学理工学部物理学科の齊藤圭司教授の共同研究チームは、量子力学的に運動する多数の粒子系(量子多体系)において、最低エネルギー状態(基底状態)が持つ「量子もつれ」に関する新たな法則を発見しました。
本研究成果は、量子もつれに関する深い理解につながるだけでなく、量子多体系への数値計算によるアプローチに新しい知見をもたらし、さらには量子コンピュータや量子機械学習を含む多方面の分野に有用な知見を与えると期待できます。
量子力学に従う粒子系を二つの領域に分けたとき、「領域間の量子もつれの大きさは、その境界の大きさとほぼ同じである」という予想を「量子もつれの境界則予想」といいます。この予想は、これまで粒子間に働く相互作用が小さく粒子が独立に運動しやすい(短距離の相関が存在する)状況では、数学的な証明が存在しました。しかし、相互作用の種類や大小によって、境界則成立の可否がどのように左右されるのかは、長年の重要な未解決問題の一つでした。
今回、共同研究チームは、エネルギーギャップを持つ広範囲の1次元量子多体系の基底状態で、量子もつれが高エネルギー状態よりも小さいことを意味する境界則を証明し、そのメカニズムを明らかにしました。これにより、これまで境界則に必要と考えられていた相互作用の短距離性の条件が本質ではないことが示され、長距離まで届く強い相互作用があっても境界則が成立することが初めて明らかになりました。
本研究は、オンライン科学雑誌『Nature Communications』(9月8日付)に掲載されます。