三者間量子もつれの根本的な限界を解明~自然界における有限温度の量子もつれの長年の謎に決着~

2025-10-17 理化学研究所

理化学研究所の研究チームは、有限温度(熱平衡状態)での三者間量子もつれが長距離で存在できるかという物理学上の未解決問題に対し、数学的証明を行い「三者間の量子もつれは長距離には存在できない」という結論を導いた。鍵となったのは「条件付き相互情報量(CMI)」という量子相関の指標で、すべての温度・系においてCMIが距離とともに指数的に減衰することを証明した。この証明には、量子もつれエネルギー(エンタングルメントハミルトニアン)と呼ばれる新概念と、量子情報の伝播速度に関する「リープ=ロビンソン限界」が用いられた。この成果は、量子もつれを理解・制御するための新たな理論基盤を提供し、量子コンピューティングや通信などの技術発展に大きく貢献する可能性がある。

三者間量子もつれの根本的な限界を解明~自然界における有限温度の量子もつれの長年の謎に決着~
図1 三者間の量子もつれの概念図
(a)のように全系をA・B・Cに3分割した場合と、(b)のように全系をA・B・C・Dに4分割した上でABCを取り出した場合とでは、異なる三者間の量子もつれ構造が現れる。それは、Dを仲介した量子もつれエネルギー(エンタングルメントハミルトニアン、後述)がA・B・Cのつながりに加わるためである。

<関連情報>

条件付き相互情報量と量子マルコフ構造の任意温度におけるクラスタリング Clustering of Conditional Mutual Information and Quantum Markov Structure at Arbitrary Temperatures

Tomotaka Kuwahara
Physical Review X  Published: 16 October, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/9hx7-pzxw

Abstract

Recent investigations have unveiled exotic quantum phases that elude characterization by simple bipartite correlation functions. In these phases, long-range entanglement arising from tripartite correlations plays a central role. Consequently, the study of multipartite correlations has become a focal point in modern physics. Here, conditional mutual information (CMI) is one of the most well-established information-theoretic measures, adept at encapsulating the essence of various exotic phases, including topologically ordered ones. Within the realm of quantum many-body physics, it has been a long-sought goal to establish a quantum analog to the Hammersley-Clifford theorem that bridges the two concepts of the Gibbs state and the Markov network. This theorem posits that the correlation length of CMI remains short-range across all thermal equilibrium quantum phases. In this work, we demonstrate that CMI exhibits exponential decay with respect to distance, with its correlation length increasing polynomially with respect to the inverse temperature. While this clustering theorem has previously been believed to hold for high temperatures devoid of thermal phase transitions, it has remained elusive at low temperatures, where genuine long-range entanglement is corroborated to exist by the quantum topological order. Our findings unveil that, even at low temperatures, a broad class of tripartite entanglement cannot manifest in the long-range regime. To achieve the proof, we establish a comprehensive formalism for analyzing the locality of effective Hamiltonians on subsystems, commonly known as the “entanglement Hamiltonian” or “Hamiltonian of mean force.” As one outcome of our analyses, we enhance the prior clustering theorem concerning bipartite entanglement. In essence, we investigate genuine bipartite entanglement that extends beyond the limitations of the positive-partial-transpose class.

1701物理及び化学
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