東京大学の研究グループは、物質の最小の構成要素である量子に対して成り立つ熱力学の枠組みで、与えられた量子状態の詳細に一切依存せず、最適な仕事の取り出し性能を達成する単一の熱力学的な操作が存在することを証明した（ニュースリリース）。
近年、量子コンピューターや量子センシングといった次世代の量子デバイスの実現に向けてナノスケールの量子系を精密に制御する技術が盛んに研究、開発されている。一方、より高性能な量子制御を達成するためには、ナノスケールの量子系がどのような熱力学の法則に支配されているかを深く理解することが必要不可欠。量子系の熱力学の枠組みにおいて、与えられた量子状態から取り出せる仕事の原理的な限界を特徴付けることは最も重要な問題の一つとなっている。
量子状態から取り出しうる仕事量の原理限界については先行研究においても盛んに調べられていたが、そのほとんどは実験者が与えられた量子状態についての完全な情報を持っているという仮定のもと解析を行なっている。しかし、実際には量子状態は環境から未知のノイズを受けるため、初期状態の完全な情報が常に手に入るとは限らない。また、量子状態の完全な情報を手に入れるためには莫大な数の測定を行なう必要がある。それにもかかわらず、このようなコストはほとんどの先行研究では考慮されていなかった。
そこでこの研究では、与えられた量子状態に関する情報が全く与えられていない状況下において、どれだけの仕事が取り出せるのかを解析した。その結果、全く未知の量子状態に対してもコピー多数の状況においては必ず最適な仕事の取り出しが達成できる、「ユニバーサルな仕事の取り出し操作」が存在することを構成的に証明した。この研究で構築されたユニバーサルな仕事の取り出し操作は、与えられた量子状態によらずに設計されているにもかかわらず、どの量子状態に適用しても最適な仕事の取り出しを達成することができる。この研究成果は、量子系の熱力学において最適な仕事の取り出しを達成するのに初期状態の情報は一切必要でなかったことを示唆し、情報理論において中心的な概念である「知っている」と「知らない」の違いが、熱力学極限における仕事の取り出しでは現れないことを示している。
今回の結果は、量子系の操作に必要不可欠な量子系の熱力学の理解を進展させるものと考えられるという。加えて、量子系の熱力学を超えたさまざまな量子情報処理を、与えられた量子状態や量子プロセスの事前知識なしに最適に行うことができる可能性を示唆しており、今後の研究の発展に寄与していくと期待されるとしている。
