光と物質の熱平衡化に関する新知見が中性原子量子コンピューティングを前進(New insight into light-matter thermalization could advance neutral-atom quantum computing)

2026-01-21 バッファロー大学(UB)

米ニューヨーク州立大学バッファロー校(University at Buffalo)が主導した理論研究で、光(フォトン)と物質(原子)の熱化過程が必ずしも迅速に起こらないことが明らかになった。この研究は『Physical Review Letters』に掲載されている。一般に異なる系が相互作用すると同じ温度になる熱平衡に達するが、特定の条件下では光と原子が異なる温度、あるいは逆の温度を維持する“前熱化状態(prethermal states)”が長時間続く可能性が示された。特に、中性原子量子コンピュータのように光と原子の反復的な相互作用が重要なシステムでは、この性質が量子情報を失わせる熱平衡化を遅らせ、量子情報をより長く保持・処理する時間的猶予を提供するかもしれない。研究チームは、光を閉じ込める光学共振器内のリュードベリ原子アレイをシミュレーションし、エネルギー交換が初期に起こった後、効率的な熱化が停止する条件を見出した。この洞察は、大規模中性原子量子コンピュータの構築に向けた設計戦略に新たな道を開く可能性がある。

光と物質の熱平衡化に関する新知見が中性原子量子コンピューティングを前進(New insight into light-matter thermalization could advance neutral-atom quantum computing)
A University at Buffalo-led study has found that photons and atoms don’t always rapidly thermalize when light is forced to repeatedly interact with matter.

<関連情報>

共振器結合型リュードベリアレイにおける光と物質の予熱化 Prethermalization of Light and Matter in Cavity-Coupled Rydberg Arrays

Aleksandr N. Mikheev, Hossein Hosseinabadi, and Jamir Marino
Physical Review Letters  Published: 21 November, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/gqjz-tyqg

Abstract

We explore the dynamics of two-dimensional Rydberg atom arrays coupled to a single-mode optical cavity, employing nonequilibrium diagrammatic techniques to capture nonlinearities and fluctuations beyond mean-field theory. We discover a novel prethermalization regime driven by the interplay between short-range Rydberg interactions and long-range photon-mediated interactions. In this regime, matter and light equilibrate at distinct—and in some cases opposite—effective temperatures, resembling the original concept of prethermalization from particle physics. Our results establish strongly correlated AMO platforms as tools to investigate fundamental questions in statistical mechanics, including quantum thermalization in higher-dimensional systems.

1700応用理学一般
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