熱力学第3法則を拡張する新たな普遍原理を発見~「時間・コスト・エラー」間に成立する限界の解明~

2025-11-14 京都大学

京都大学のヴー・タンヴァン准教授、斉藤圭司教授らの研究チームは、「時間・コスト・誤差」という3つの要素の間に普遍的なトレードオフ(交換関係)が存在することを発見し、熱力学第三法則を一般化する新原理として提示した。これにより、物理操作(冷却、情報消去、コピーなど)において、処理時間を短縮しようとすれば誤差が増え、誤差を小さくしようとすれば熱的コスト(エネルギー消費)が増大する、という厳密な制限が成り立つことが示された。この関係式は、「絶対零度が到達不可能」であることの定量的説明にもつながり、従来は冷却過程に限定されていた第三法則を、ナノマシンや量子計算機のようなミクロな操作にも適用可能な普遍法則へと拡張する成果となった。本研究は Physical Review X に掲載された。

熱力学第3法則を拡張する新たな普遍原理を発見~「時間・コスト・エラー」間に成立する限界の解明~
本研究で導出したトレードオフ関係式の概念図。観測確率をゼロにする熱力学過程では、時間・コスト・エラーの間に普遍的なトレードオフ関係が生じる。代表的な例として、冷却、情報の消去、コピーなどが挙げられる。

<関連情報>

熱力学における時間・コスト・誤差のトレードオフ関係:第三法則とその先 Time-Cost-Error Trade-Off Relation in Thermodynamics: The Third Law and Beyond

Tan Van Vu and Keiji Saito
Physical Review X Published: 13 November, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/l6b9-rg1j

Abstract

Elucidating fundamental limitations inherent in physical systems is a central subject in physics. For important thermodynamic operations such as information erasure, cooling, and copying, resources like time and energetic cost must be expended to achieve the desired outcome within a predetermined error margin. In the context of cooling, the unattainability principle of the third law of thermodynamics asserts that infinite “resources” are needed to reach absolute zero. However, the precise identification of relevant resources and how they jointly constrain achievable error remains unclear within the frameworks of stochastic and quantum thermodynamics. In this work, we introduce the concept of separated states, which consist of fully unoccupied and occupied states, and formulate the corresponding thermokinetic cost and error, thereby establishing a unifying framework for a broad class of thermodynamic operations. We then uncover a three-way trade-off relation between time, cost, and error for thermodynamic operations aimed at creating separated states, simply expressed as τCετ ≥ 1 − η. This fundamental relation is applicable to diverse thermodynamic operations, including information erasure, cooling, and copying. It provides a profound quantification of the unattainability principle in the third law of thermodynamics in a general form. Building upon this relation, we explore the quantitative limitations governing cooling operations, the preparation of separated states, and a no-go theorem for exact classical copying. Furthermore, we extend these findings to the quantum regime, encompassing both Markovian and non-Markovian dynamics. Specifically, within Lindblad dynamics, we derive a similar three-way trade-off relation that quantifies the cost of achieving a pure state with a given error. The generalization to general quantum dynamics involving a system coupled to a finite bath implies that the dissipative cost becomes infinite as the quantum system is exactly cooled down to the ground state or perfectly reset to a pure state, thereby resolving an open question regarding the thermodynamic cost of information erasure.

1701物理及び化学
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