情報通信
量子多体系を探る新手法を開発、同系内の情報伝搬を詳しく解析
量子相転移は典型的な量子多体現象の一つだ。同現象は平衡状態における巨視的現象として捉えられてきたが、近年、非平衡状態における量子ダイナミクスからもその兆候を引き出せることが明らかになってきた。その背景には動的臨界現象を通じた量子相転移と量子ダイナミクスの密接な関連があり――
特に大域的な励起がもたらすダイナミクスには、時空間相関などから検出可能な量子相転移の痕跡が埋め込まれていることが先行研究で示された。しかし局所的な励起から生じる非平衡ダイナミクスにおいても量子相転移の兆候が見出せるかは未解明だったという。東京大学大学院工学系研究科の院生と教授は、量子多体系における情報伝搬ダイナミクスを通じて、量子相転移およびトポロジカル量子相転移を同一の手法で検出することに成功した。
情報伝搬の追跡に新開発手法「量子リザバープロービング」を用いた。同手法は情報伝搬を「情報の推定」（機械学習タスク）に落とし込み、その性能を指標として利用するものであり、量子リザバーコンピューティング（量子多体系のダイナミクスを計算資源として利用）の逆拡張に相当する。特に量子臨界点付近では、最大限発達した量子揺らぎにより情報伝搬が強く抑制され、推定性能が著しく悪化することを見出した。
上記現象を相境界のマーカーにすることで、平衡状態における大域的な性質である量子相転移やトポロジカル相転移を、非平衡状態における局所的な励起の情報伝搬特性を通じて検出することに成功した。今回開発した量子リザバープロービングは、情報の入力方法や取り組むタスクの設計次第で、多彩な量子多体現象を情報処理と結びつけ、情報科学的観点からその特性を解明できると期待される。
情報科学と物性物理の分野融合を加速させる。量子多体系の学際的解明へ向けた大きな一歩となった、研究の成果は「Nature Communications」電子版に掲載された。