原子検出回数の異常ゆらぎと普遍性の発見~測定記録から量子多体物理を読み出す新指標を提案~

2026-07-27 大阪公立大学

大阪公立大学と理化学研究所の研究グループは、連続測定下の量子多体系において、原子検出回数のゆらぎを解析することで、測定の反作用が生み出す量子多体物理を読み出す新たな指標を理論的に提案した。従来は、特定の測定結果だけを抽出する「ポストセレクション」が必要だったが、本研究では実験で自然に得られる測定記録そのものを利用できる点が特徴である。解析の結果、測定が弱い場合には原子検出回数はポアソン統計に従う通常のゆらぎを示す一方、測定が強くなると多数の粒子の集団効果により「異常ゆらぎ」が現れることを発見した。また、この変化を「測定誘起クロスオーバー」として理論的に示し、異常ゆらぎが系の詳細によらず共通して現れる普遍性を持つ可能性も明らかにした。本成果は、冷却原子実験で得られる測定記録から量子多体現象を直接検出する新たな手法を提供するとともに、量子コンピュータや量子シミュレータにおける測定過程の理解や量子技術の発展に貢献すると期待される。

原子検出回数の異常ゆらぎと普遍性の発見~測定記録から量子多体物理を読み出す新指標を提案~
図:測定下の量子多体系と原子検出回数の概念図(Image: Issei Takahashi)

<関連情報>

ポストセレクションフリー多体ダイナミクスにおける測定誘起量子ジャンプ統計のクロスオーバー Measurement-Induced Crossover of Quantum Jump Statistics in Postselection-Free Many-Body Dynamics

Kazuki Yamamoto and Ryusuke Hamazaki
Physical Review Letters  Published: 23 July, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/wv5b-r6sb

Abstract

We reveal a nontrivial crossover of subsystem fluctuations of quantum jumps in continuously monitored many-body systems, which have a trivial maximally mixed state as a steady-state density matrix. While the fluctuations exhibit the standard volume law ∝ following Poissonian statistics for sufficiently weak measurement strength, anomalous yet universal scaling law ∝ (∼2.7 up to =20) indicating super-Poissonian statistics appears for strong measurement strength. This drastically affects the precision of estimating the rate of quantum jumps: for strong (weak) measurement, the estimation uncertainty is enhanced (suppressed) as the system size increases. We demonstrate that the anomalous scaling of the subsystem fluctuation originates from an integrated many-body autocorrelation function and that the transient dynamics contributes to the scaling law rather than the Liouvillian gap. The measurement-induced crossover is accessed only from the postselection-free information obtained from the time and the position of quantum jumps and can be tested in ultracold atom experiments.

1701物理及び化学
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