極低温の量子もつれの広がり方に新しい統一理論 -長距離相互作用を含み、エネルギー上限のない量子系で証明-

2026-08-03 理化学研究所

理化学研究所の研究グループは、極低温における量子多体系で、量子もつれの大きさが系の体積ではなく境界の大きさに比例する「境界則」が、従来よりはるかに一般的な条件で成立することを理論的に証明した。従来の境界則は、近距離相互作用とエネルギー上限を持つ理想化モデルに限られていたが、本研究では長距離相互作用や局所エネルギーに上限がないボーズ量子場まで対象を拡張した。代表的なボーズ・ハバード模型やφ⁴理論を含む広いクラスについて、粒子数や場の揺らぎが適切に抑えられる自然な条件の下で境界則が成立することを示し、量子もつれの普遍的な構造を明らかにした。さらに、これらの量子状態が行列積状態により少ない情報量で効率的に近似できることも証明し、密度行列繰り込み群法などの量子シミュレーション手法の理論的根拠を与えた。本成果は、量子場理論や冷却原子系の理解を深めるとともに、高精度な量子シミュレーション技術の発展に貢献すると期待される。

極低温の量子もつれの広がり方に新しい統一理論 -長距離相互作用を含み、エネルギー上限のない量子系で証明-
ボーズ量子場の量子もつれ境界則

<関連情報>

ボーズ・ハバード模型からϕ4理論、そしてその先まで、相互作用するボソンにおけるエンタングルメント面積法則 Entanglement area law in interacting bosons from the Bose-Hubbard model to ϕ4 theory and beyond

Donghoon Kim & Tomotaka Kuwahara
Nature Communications  Published:20 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-72404-w

Abstract

The entanglement area law is a universal principle that characterizes quantum many-body phases and underpins tensor network algorithms. Traditionally, its validity has been limited to systems with short-range interactions and bounded local energy. Achieving a complete generalization that removes both of these constraints has been a longstanding goal in quantum many-body theory, especially for interacting boson systems where unbounded energy presents intrinsic difficulties. In this work, we rigorously prove the area law for one-dimensional interacting boson systems with long-range interactions, covering broad models including the Bose-Hubbard and ϕ4 classes. Furthermore, we establish an efficiency guarantee for Matrix-Product-State approximations of the ground states, offering a practical route to numerical simulation. One of our main technical contributions is a general method for Hilbert space dimension reduction, whose applicability extends to arbitrary spatial dimensions. These results address two major challenges simultaneously and provide important foundations for simulating long-range cold atomic systems.

1701物理及び化学
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