理研ら,低温下における量子もつれの新法則を発見

理化学研究所(理研),独マックス・プランク研究所,米カリフォルニア大学バークレー校は,量子力学に従う多粒子系(量子多体系)が有限温度下で示す「量子もつれ」に関する新たな法則を発見した(ニュースリリース)。

量子多体系が示す「量子熱平衡状態」のシミュレーションは,量子シミュレーションや量子機械学習の高速化において主要な役割を果たす。

「量子熱平衡状態」における量子もつれの性質は,「境界則」と呼ばれる普遍法則に従うことが知られている。これは,系を二つの領域に分割したとき,領域間の量子もつれの大きさが境界の大きさ(面積)に比例するという法則。

境界則は,室温下では普遍的に成り立つことが証明されている。一方,低温下では温度Tが絶対零度(0ケルビン)に近づくにつれて,温度の逆数(T-1)に比例して破れていくとこれまで考えられていた。

今回,研究グループは,境界則が従来の予想に反して温度Tの逆数の2/3乗(T-2/3)に比例して破れていくことを新たに示した。さらにこの性質をもとに,低温下での量子多体系の量子熱平衡状態をシミュレートする新手法を開発し,必要な計算時間を従来よりも大幅に短縮することに成功した。

研究グループはこの研究成果について,虚数の時間発展で生成される量子もつれに関する新たな知見を与えると同時に,量子シミュレーションや量子機械学習などの分野における効率的手法の開発にも貢献するとしている。

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