研究分野: 

量子多体系の理論、量子情報物理学、トポロジカル量子物性、開放量子系、量子シミュレーション

 

Keyword

• Quantum many-body physics and quantum information

• Quantum entanglement and mixed-state quantum phases

• Topological phases of matter and quantum error correction

• Decoherence and measurement-induced phase transitions

• Open quantum systems and nonequilibrium dynamics

• Topological quantum pumps and quantum simulation

• Many-body localization and flat-band physics

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研究内容: 

量子多体系の理論と量子情報科学の融合領域を中心に、量子エンタングルメント、トポロジカル量子物性、量子測定、デコヒーレンスなどに関連する新しい物理現象の理論的研究を進めています。

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近年、量子計算機や冷却原子系などの量子シミュレーション技術が急速に発展し、従来の物性物理学では実現が難しかった量子多体系や非平衡量子ダイナミクスを実験的に研究することが可能になってきました。これらの進展を背景として、量子情報科学で発展してきた概念や理論的手法を量子多体系の研究に取り入れることで、新しい量子相や相転移の理解が進んでいます。

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特に、量子エンタングルメントやトポロジカル秩序などの量子状態の性質が、量子測定や外部環境との相互作用によってどのように変化するのかに興味を持っています。従来の量子多体系の研究では、主に孤立した量子系の純粋状態が対象とされてきましたが、実際の量子系では測定や環境との相互作用によりデコヒーレンスが生じ、混合状態が形成されます。このような混合状態において、量子秩序やトポロジカルな性質がどのように維持され、あるいは失われるのかは、量子物性と量子情報科学の双方に関わる重要な研究課題です。

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最近は特に、デコヒーレンスによって生じる量子相転移、混合状態におけるトポロジカル秩序や対称性の構造、量子誤り訂正符号の安定性、量子回路における測定誘起相転移などの研究を進めています。これらの問題に対して、量子情報理論、統計力学、格子ゲージ理論、テンソルネットワーク法などを組み合わせた理論的・数値的アプローチを用いています。

また、トポロジカル量子ポンプや冷却原子系における量子シミュレーション、多体局在やフラットバンド系における非平衡ダイナミクスなどについても研究を行っています。

これらの研究を通じて、量子多体系における新しい量子相や非平衡現象を探索するとともに、量子エンタングルメント、対称性、トポロジーの観点から量子状態の性質を理解するための新しい理論的枠組みの構築を目指しています。

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​研究業績などの情報は以下を参照してください：

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Google scholar (最新の論文と引用数など):

https://scholar.google.com/citations?user=PTAklukAAAAJ&hl=ja​

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最新の論文 プレプリント (arXiv preprint):

https://arxiv.org/search/cond-mat?searchtype=author&query=Kuno%2C+Y

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Research map:

https://researchmap.jp/-yk_kuno

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現在の科学研究費助成事業(KAKEN)に基づく研究課題 :

https://nrid.nii.ac.jp/ja/nrid/1000030753628/

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研究テーマ紹介：

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(1) 開放量子多体系におけるデコヒーレンス誘起相転移と混合状態の量子特性​

量子多体系が外部環境と相互作用すると、量子コヒーレンスが失われ、一般に混合状態が形成されます。このようなデコヒーレンスは量子状態を破壊する要因として知られていますが、一方で、混合状態に特有の量子秩序や相転移を引き起こす可能性もあります。

本研究では、量子スピン系や臨界量子多体系を対象として、デコヒーレンスによる量子エンタングルメントや臨界現象の変化を研究しています。特に、混合状態における強い対称性・弱い対称性、対称性の自発的破れ、量子相関の長距離構造などに注目しています。

また、混合状態を拡張されたヒルベルト空間の純粋状態として表現するdoubled Hilbert space formalismやテンソルネットワーク法を用いて、従来の純粋状態の量子多体理論を混合状態へと拡張する研究を進めています。

(2) トポロジカル秩序、対称性保護トポロジカル相と量子誤り訂正符号

トポロジカル秩序や対称性保護トポロジカル相は、局所的な摂動に対して安定な非自明な量子状態として知られています。これらの性質は、量子情報を保護する量子誤り訂正符号とも密接に関係しています。

本研究では、トーリックコードやカラーコード、クラスター状態などを対象として、量子測定やデコヒーレンスの下でトポロジカルな性質がどのように変化するのかを研究しています。

特に、純粋状態では実現できない混合状態特有のトポロジカル秩序や、強い対称性と弱い対称性によって特徴付けられる混合状態の対称性保護トポロジカル相に興味を持っています。さらに、格子ゲージ理論や部分系量子誤り訂正符号の枠組みを用いて、ノイズに対する量子情報の安定性や新しい量子秩序の形成機構を研究しています。

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(3) 量子回路における非平衡ダイナミクスと測定誘起相転移

量子回路においてユニタリ時間発展と量子測定を組み合わせると、通常の熱平衡系とは異なる非平衡量子相や相転移が発現します。特に、量子測定の頻度や強度によって量子エンタングルメントの構造が大きく変化する測定誘起相転移は、量子情報と統計力学の新しい接点として注目されています。

本研究では、ランダム量子回路やクリフォード量子回路、測定のみで構成される量子回路などを対象として、エンタングルメント転移、量子状態の純粋化、情報のスクランブリング、測定によって形成されるトポロジカル量子相などを研究しています。

また、測定結果の確率分布や量子トラジェクトリーの統計的性質にも注目し、量子測定が多体系の情報構造に与える影響を理論的に明らかにすることを目指しています。

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(4) トポロジカル量子ポンプと量子シミュレーション

トポロジカル量子ポンプは、量子系のパラメータを周期的に変化させることで、粒子やスピンなどの物理量を量子化された形で輸送する現象です。この現象はトポロジカル不変量やバルク・エッジ対応と密接に関係しており、量子多体系のトポロジカルな性質を理解するための重要な研究対象となっています。

本研究では、相互作用を持つ量子多体系におけるトポロジカル量子ポンプの発現機構や、新しい対称性に基づく量子化輸送現象について研究しています。また、冷却原子系などの人工量子系を用いたトポロジカル量子現象の実現や、その量子シミュレーションにも取り組んでいます。

最近はさらに、量子多体系における複数の保存量に基づくトポロジカルポンプや、デコヒーレンスを受けた混合状態におけるトポロジカルな性質の安定性にも研究対象を広げています。

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(5) フラットバンド量子多体系における局在現象と非平衡ダイナミクス

フラットバンド系では、粒子のトンネリングに伴う量子干渉によって、コンパクト局在状態と呼ばれる特異な一粒子状態が形成されます。この性質により、通常の量子多体系とは異なる局在現象や非平衡ダイナミクスが現れる可能性があります。

本研究では、フラットバンド系に粒子間相互作用や不規則性を導入した際の多体局在現象、熱平衡化の抑制、量子状態の長時間安定性などについて研究しています。

また、量子多体スカー状態やトポロジカルな部分空間の形成など、量子干渉と相互作用が引き起こす特異な多体量子現象にも注目しています。これらの研究を通じて、量子多体系の熱平衡化や量子情報の保持に関する基礎的問題の理解を目指しています。