量子情報流を活用した「マクスウェルのデーモン」を実現~エネルギー効率に優れた量子制御の実現に向けて~

2025-08-28 東京大学

東京大学とハーバード大学の研究チームは、シリコン空孔中心の電子スピン量子ビットに対して反復的な測定と高速フィードバック制御を行い、量子情報の「流れ」を活用して熱力学的エントロピーを減少させる「マクスウェルのデーモン」を実験的に実現した。これにより、量子情報流を考慮した拡張熱力学第二法則と拡張ゆらぎの定理を初めて実証。また、直近の測定結果だけに基づくマルコフ的制御と比較し、履歴情報も活用する非マルコフ的フィードバックが熱力学的利得を高めることを確認した。本成果は量子制御のエネルギー効率向上や量子熱機関・量子バッテリー設計の基盤となると期待される。研究成果は Physical Review X に掲載。

量子情報流を活用した「マクスウェルのデーモン」を実現~エネルギー効率に優れた量子制御の実現に向けて~
(a) 本研究で用いた実験系の模式図。シリコン空孔中心の電子スピン量子ビットに対して、光学的な測定を繰り返し行い、その結果を高速で処理してフィードバックする。(b) 直近の測定結果のみに基づくマルコフ的なフィードバックプロトコル。(c) 過去の測定結果の履歴も活用した非マルコフ的なフィードバックプロトコル。

<関連情報>

反復的量子情報伝達によるエントロピー減少の実験的検証 Experimentally Probing Entropy Reduction via Iterative Quantum Information Transfer

Toshihiro Yada, Pieter-Jan Stas, Aziza Suleymanzade, Erik N. Knall, Nobuyuki Yoshioka, Takahiro Sagawa, and Mikhail D. Lukin
Physical Review X  Published: 26 August, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/5lp2-9sps

Abstract

Thermodynamic principles governing energy and information are important tools for a deeper understanding and better control of quantum systems. In this work, we experimentally investigate the interplay of the thermodynamic costs and information flow in a quantum system undergoing iterative quantum measurement and feedback. Our study employs a state stabilization protocol involving repeated measurement and feedback on an electronic spin qubit associated with a silicon-vacancy center in diamond, which is strongly coupled to a diamond nanocavity. This setup allows us to verify the fundamental laws of nonequilibrium quantum thermodynamics, including the second law and the fluctuation theorem, both of which incorporate measures of quantum information flow induced by iterative measurement and feedback. We further assess the reducible entropy based on the feedback’s causal structure and quantitatively demonstrate the thermodynamic advantages of non-Markovian feedback over Markovian feedback. For that purpose, we extend the theoretical framework of quantum thermodynamics to include the causal structure of the applied feedback protocol. Our work lays the foundation for investigating the entropic and energetic costs of real-time quantum control in various quantum systems.

1700応用理学一般
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