量子の世界で「ゆらぎ」の限界に迫る~量子システムの精度と応答に関する新しい法則を発見~

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2025-03-10 京都大学

京都大学のVu Tan Van准教授らの研究グループは、量子システムにおける精度、応答、エネルギーコストの関係性に関する新たな法則を理論的に導き出しました。従来、古典的なシステムでは、精度向上には相応のエネルギーコストが必要とされる「熱力学的不確定性関係」が知られていました。しかし、今回の研究では、量子コヒーレンスなどの量子特有の性質を考慮することで、量子系においてこの関係が修正されることが明らかになりました。さらに、観測量のゆらぎに対する上限(逆不確定性関係)や、外部からの摂動に対する応答感度の上限(応答の不確定性関係)を新たに導き、量子システムに共通する基本的な制約を示しました。この成果は、量子熱力学の基礎を築くとともに、量子熱機関や量子計算など、量子技術の設計や性能評価に新たな視点を提供するものです。今後、より複雑な量子システムへの理論的な拡張や、実験データとの検証を通じて、量子システム全般に通じる普遍的な原理の確立が期待されています。この研究成果は、2025年3月6日に国際学術誌「PRX Quantum」にオンライン掲載され、同誌の優秀論文特集「International Year of Quantum Science and Technology (IYQ 2025) Collection」に選ばれました。

<関連情報>

量子軌道観測量に対する精度と応答の基本的境界 Fundamental Bounds on Precision and Response for Quantum Trajectory Observables

Tan Van Vu
PRX Quantum  Published: 6 March, 2025
DOI:https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.6.010343

量子の世界で「ゆらぎ」の限界に迫る~量子システムの精度と応答に関する新しい法則を発見~

Abstract

The precision and response of trajectory observables offer valuable insights into the behavior of nonequilibrium systems. For classical systems, trade-offs between these characteristics and thermodynamic costs, such as entropy production and dynamical activity, have been established through uncertainty relations. Quantum systems, however, present unique challenges, where quantum coherence can enhance precision and violate classical uncertainty relations. In this study, we derive trade-off relations for stochastic observables in Markovian open quantum systems. Specifically, we present three key results: (i) a quantum generalization of the thermokinetic uncertainty relation, which bounds the relative fluctuations of currents in terms of entropy production and dynamical activity; (ii) a quantum inverse uncertainty relation, which constrains the relative fluctuations of arbitrary counting observables based on their instantaneous fluctuations and the spectral gap of the symmetrized Liouvillian; and (iii) a quantum response kinetic uncertainty relation, which bounds the response of general observables to kinetic perturbations in terms of dynamical activity. These fundamental bounds, validated numerically using a three-level maser and a boundary-driven ⁢⁢ spin chain, provide a comprehensive framework for understanding the interplay between precision, response, and thermodynamic costs in quantum systems.

1701物理及び化学
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