量子状態が未知であっても最適な仕事の取り出しが可能であることを証明

2026-03-03 東京大学

東京大学大学院総合文化研究科の研究チームは、量子状態の詳細が未知であっても最適な熱力学的仕事を取り出せる「ユニバーサルな仕事抽出操作」が存在することを理論的に証明した。従来は量子状態から最大の仕事を取り出すには、その状態の完全な情報が必要と考えられていた。しかし本研究では、量子状態のコピーが多数存在する条件下で、初期状態に関する情報が一切なくても最適な仕事抽出が可能であることを示した。これは量子系の熱力学において、仕事抽出の限界が量子状態の事前知識に依存しない可能性を示唆する重要な成果である。本研究は量子熱力学の理解を深めるとともに、量子コンピュータや量子情報処理において、未知の量子状態でも効率的な処理を行う「ユニバーサル量子情報処理」実現への基盤となることが期待される。

量子状態が未知であっても最適な仕事の取り出しが可能であることを証明
初期量子状態に関する情報あり/なしの状況での仕事の取り出し

<関連情報>

量子熱力学における普遍的な仕事抽出 Universal work extraction in quantum thermodynamics

Kaito Watanabe & Ryuji Takagi
Nature Communications  Published:03 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-69143-3

Abstract

Evaluating the maximum amount of work extractable from a nanoscale quantum system is one of the central problems in quantum thermodynamics. Previous works identified the free energy of the input state as the optimal rate of extractable work under the crucial assumption: experimenters know the description of the given quantum state, which restricts the applicability to significantly limited settings. Here, we show that this optimal extractable work can be achieved without knowing the input states at all, removing the aforementioned fundamental operational restrictions. We achieve this by presenting the construction of a quantum channel whose description does not depend on input states but nevertheless extracts work quantified by the free energy of the unknown input state. Remarkably, our result partially encompasses the case of infinite-dimensional systems, for which optimal extractable work has not been known even for the standard state-aware setting. Our results clarify that, even though whether the description of the given state is provided at the beginning of the protocol generally makes the operational setting fundamentally different in accomplishing information-theoretic tasks, not knowing the input state does not influence the optimal performance of the asymptotic work extraction.

1700応用理学一般
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