中央大,光格子中の量子エンタングルメントに知見

中央大学の研究グループは,光格子と呼ばれるレーザー光による周期的なトラップに閉じ込められた強く相互作用するボース粒子注からなる系における量子エンタングルメントの振る舞いを理論的に解明した(ニュースリリース)。

複数の量子力学的な粒子の間に生じる特殊な相関,量子エンタングルメントは現代の量子力学の研究の大きなテーマになっている。近年は強相関系の性質を量子エンタングルメントの側面から理解しようとする試みが盛んになりつつあるが,理論的にも実験的にも解析が困難であり,未解明な点が多く残されている。

研究グループは,強相関系の量子エンタングルメントの性質を解明するために,光格子に閉じ込められた強相関ボース多体系に注目し,量子エンタングルメントの生成や伝播のメカニズムについて理論的に研究した。

強相関ボース多体系では,ボース粒子が他より1個多い状態(ダブロン)とボース粒子が1個抜けて穴ができた状態(ホロン)が,それぞれ一つの粒子として振る舞う。この研究では量子エンタングルメントを定量的に調べるため,ダブロンとホロンに対する波動関数を用いて相関関数と呼ばれる量を計算し,そこからエンタングルメント・エントロピーの公式を導いた。

この公式を用いると,これまで計算できなかった小さい系や短時間スケールの場合でもエンタングルメント・エントロピーが求められ,系の大きさや時間スケールに制限がある実験での検証に大きな利点をもたらす。

さらに,導出されたエンタングルメント・エントロピーの公式から,この系における量子エンタングルメントが,量子もつれの状態にあるダブロンとホロンのペアが生成されることで生まれ,そのペアが伝播することにより系全体に広がることを明らかにした。

強相関ボース多体系で,量子エンタングルメントのダイナミクスを理論的に明らかにしたのは,この研究が世界で初めてとなり,高温超伝導体など他の強相関系における量子エンタングルメントの振る舞いの理解に大きく貢献する成果だとする。

研究グループは,この研究により強相関系の量子エンタングルメントの理解が進めば,強相関系の量子エンタングルメントを利用した,従来よりも遥かに高速な計算を可能にする量子コンピューターの開発につながると期待できるとしている。

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