エントロピー制御による量子シミュレーターの極低温冷却法を確立～高温超伝導や量子磁性などの仕組みの解明に期待～

令和６年５月２１日

日本大学
東京理科大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

エントロピー制御による量子シミュレーターの極低温冷却法を確立

～高温超伝導や量子磁性などの仕組みの解明に期待～

ポスト

ポイント

• ２次元格子上のスピン自由度が多い原子気体に対して大規模な数値計算を実施
• 気体中のスピン成分ごとの原子数の割合を変化させた際の、エントロピー（気体中の原子集団の“乱雑さ”の指標）と温度の間の関係性を解明
• 電子を模倣する２成分のみをシステム中心部に集めることで、強相関電子材料のための極低温量子シミュレーターを実現できることを理論的に提案

日本大学 文理学部 物理学科の山本 大輔 准教授と東京理科大学 創域理工学部 先端物理学科の森田 克洋 助教の研究グループは、レーザー光で作られた２次元格子に閉じ込めた原子の気体を、量子力学の効果が顕著な極低温に冷やすための方法を大規模な数値計算によって確立しました。高温超伝導体や量子磁性体のような強相関電子材料は、近未来の科学技術への応用において重要視されていますが、それらの物質で特異な性質が現れる仕組みは完全には分かっていません。そこで、物質の振る舞いをレーザー光と原子気体による人工的なシステムを用いてシミュレートし、その仕組みを解明しようとする研究（量子シミュレーション）が試みられています。しかし、量子力学の効果が顕著になる極低温まで冷やすことが難しいという問題点がありました。

本研究では、さまざまな原子のうちでもスピン自由度（“色の種類”のようなもの）が多いものを用い、そのうちの“２色”だけをシステムの中心に集めることで、非常に温度の低い量子シミュレーターが作成可能であることを理論的に示しました。これは、システム全体のエントロピーのうちの大部分が“色の種類”の多い外周部分の原子気体に逃がされ、中心部分の“２色”だけの原子気体のエントロピーが極端に下がることで、温度が低下するというメカニズムによるものです。このシステムを用いることで、高温超伝導体などの仕組みの完全解明につながることが期待されます。

本成果は、２０２４年５月２０日（現地時間）にアメリカ物理学会の発行する学術雑誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」にＬｅｔｔｅｒ（速報）として掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 さきがけ（量子情報処理）「人工量子系における量子状態同定および量子もつれの定量化法の開発（研究代表者：山本 大輔）」（ＪＰＭＪＰＲ２１１８）、科学研究費助成事業 学術変革領域研究（Ａ） 計画研究「人工量子物質による量子ブラックホールの解明（研究代表者：手塚 真樹）」（２１Ｈ０５１８５）、科学研究費助成事業 基盤研究（Ｂ）「トポロジカル磁性体における電気磁気効果に起因する磁気光学応答（研究代表者：古川 信夫）」（２２Ｈ０１１７１）、科学研究費助成事業 基盤研究（Ｂ）「冷却原子実験を用いた空間異方性を持つ三角格子反強磁性モデルの研究（研究代表者：福原 武）」（２３Ｋ２５８３０）および科学研究費助成事業 基盤研究（Ｃ）「ホログラフィック双対性から導かれる新奇量子物性現象の開拓（研究代表者：山本 大輔）」（２４Ｋ０６８９０）の支援を受けて行われました。また、本研究成果の一部は、大阪大学 サイバーメディアセンターの大規模計算機システムＯＣＴＯＰＵＳを利用して得られたものです。

＜プレスリリース資料＞

• 本文 ＰＤＦ（７４４ＫＢ）

＜論文タイトル＞

“Engineering of a Low-Entropy Quantum Simulator for Strongly Correlated Electrons Using Cold Atoms with SU(N)-Symmetric Interactions”

ＤＯＩ：10.1103/PhysRevLett.132.213401

＜お問い合わせ先＞

• ＜研究に関すること＞

  山本 大輔（ヤマモト ダイスケ）

  日本大学 文理学部 物理学科 准教授
  E-mail：yamamoto.daisuke21nihon-u.ac.jp

  森田 克洋（モリタ カツヒロ）

  東京理科大学 創域理工学部 先端物理学科 助教
  E-mail：katsuhiro.moritars.tus.ac.jp

• ＜ＪＳＴ事業に関すること＞

  安藤 裕輔（アンドウ ユウスケ）

  科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
  〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
  Tel：03-3512-3526 Fax：03-3222-2066
  E-mail：prestojst.go.jp

• ＜報道担当＞

  日本大学 文理学部 庶務課

  〒156-8550 東京都世田谷区桜上水３－２５－４０
  Tel：03-5317-9677
  E-mail：chs.shomunihon-u.ac.jp

  東京理科大学 経営企画部 広報課

  〒162-8601 東京都新宿区神楽坂１－３
  Tel：03-5228-8107
  E-mail：kohoadmin.tus.ac.jp

  科学技術振興機構 広報課

  〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
  Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
  E-mail：jstkohojst.go.jp

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