量子もつれが決める「熱平衡らしさ」 ―取り出せる仕事に基づいて量子多体状態を分類―

2026-08-24 東京大学

東京大学大学院工学系研究科などの研究グループは、量子多体系が熱平衡状態と同じように振る舞う条件を、多体量子もつれと「取り出せる仕事」の観点から理論的に解明した。局所操作と古典通信(LOCC)によって量子状態から取り出せる仕事を定式化し、その上限を多体量子もつれの強さを示す「幾何学的エンタングルメント」で評価した。その結果、典型的な量子状態では強く複雑な多体量子もつれが存在するため、LOCCを用いても系の大きさに比例する仕事を取り出せず、熱平衡状態と同等に振る舞うことが判明した。一方、量子もつれが弱く構造が単純な状態では、古典通信を組み合わせることで大きな仕事を取り出せることも示された。本成果は、量子状態の「熱平衡らしさ」を分類する新たな枠組みを与え、量子多体系の熱的性質の理解や、量子もつれ・相関を利用する量子熱機関の設計につながると期待される。

量子もつれが決める「熱平衡らしさ」 ―取り出せる仕事に基づいて量子多体状態を分類―
量子状態から仕事を取り出す際に可能な操作の概念図:青い矢印が電子やスピンなどの量子系を表し、緑色の影がそれに対する操作者を表す。従来は、(a)多体系全体を自由に操作できる場合と、(c)各粒子を独立にしか操作できない場合という両極端の状況が主に議論されてきたが、本研究ではその中間に位置する(b)局所操作と古典通信の下での、量子状態の熱的な性質を明らかにした。

<関連情報>

局所操作と古典通信における抽出可能な仕事による熱状態との等価性の検証 Testing the Equivalence to Thermal States via Extractable Work under Local Operations and Classical Communication

Toshihiro Yada, Nobuyuki Yoshioka, and Takahiro Sagawa
Physical Review Letters  Published: 21 August, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/zsb1-gx7f

Abstract

Understanding the thermal behavior of quantum many-body pure states is one of the most fundamental issues in quantum thermodynamics. It is widely known that typical pure states yield vanishing work, just as thermal states do, when one restricts to local operations that cannot access correlations among subsystems. However, it remains unclear whether this equivalence to thermal states persists under local operations and classical communication (LOCC), where classically accessible correlations can be exploited for work extraction. In this Letter, we establish criteria for determining whether many-body pure states remain equivalent to thermal states even under LOCC, and show that this thermal equivalence is governed by their multipartite quantum correlation structure. We show that states with asymptotically maximal multipartite entanglement, such as Haar-random states, cannot yield extensive work under LOCC, whereas some states with limited multipartite entanglement, such as constant-degree graph states, allow extensive work extraction despite being locally indistinguishable from thermal states. Thus, our Letter provides a refined operational notion of thermal equivalence beyond the traditional local regime, which is becoming increasingly important due to the recent expansion of experimentally accessible operations.

1701物理及び化学
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