対称性の破れを統一的に測る指標を確立 -高精度な量子センシング技術への応用に期待-

2026-08-07 九州大学

九州大学、理化学研究所、NTTなどの研究グループは、量子状態における「対称性の破れ」を共通の尺度で定量化する理論を確立した。対称性の破れは、時間や方向などの基準を与える量子資源として、量子時計や量子ジャイロスコープなどへの応用が期待されているが、異なる種類の対称性の破れを統一的に評価し、別の状態へ変換する際の最適効率を求める理論は未確立だった。研究では、量子状態の幾何学的性質を表す「量子幾何テンソル」に着目し、この量が対称性の破れを別の形へ変換する際の理論上の最大効率を決定することを証明。さらに、その限界を実際に達成する最適な変換手順も構成した。これにより、回転対称性を含む幅広い対称性について、破れの程度を共通の指標で評価できるようになった。成果は、超高精度量子センサーの理論基盤だけでなく、量子熱機関などの物理過程で必要となる量子資源の評価にも応用できる可能性がある。

<関連情報>

量子幾何テンソルは、任意のコンパクトリー群の非対称性のリソース理論における純粋状態IID変換率を決定する Quantum Geometric Tensor Determines the Pure-State I.I.D. Conversion Rate in the Resource Theory of Asymmetry for Any Compact Lie Group

Koji Yamaguchi, Yosuke Mitsuhashi, Tomohiro Shitara, and Hiroyasu Tajima
Physical Review X  Published: 5 August, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/qqf6-x85b

Figure 1

Abstract

Quantifying physical concepts in terms of the ultimate performance of a given task has been central to theoretical progress, as illustrated by thermodynamic entropy and entanglement entropy, which quantify irreversibility and quantum correlations, respectively. Symmetry breaking is equally universal yet lacks such an operational quantification. While an operational characterization of symmetry breaking through asymptotic state-conversion efficiency is a central goal of the resource theory of asymmetry (RTA), such a characterization has so far been completed only for the U(1) group among continuous symmetries. Here, we identify the complete measure of symmetry breaking for a general continuous symmetry described by any compact Lie group. Specifically, we show that the asymptotic conversion rate between many copies of pure states in RTA is determined by the quantum geometric tensor, thereby establishing it as the complete measure of symmetry breaking. As an immediate consequence of our conversion rate formula, we also resolve the Marvian-Spekkens conjecture on conditions for reversible conversion in RTA, which has remained unproven for over a decade. Leveraging the connection between symmetry breaking and the theory of quantum reference frames, we also systematically introduce a standardized reference state for frameness based on our asymptotic conversion theory. In addition, by applying our analysis to a standard quantum-thermodynamic scenario, we show that asymptotic state conversion in contact with heat baths generally requires macroscopic coherence in the thermodynamic limit.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました