Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

量子観測 / 量子制御 / 量子計測 / 量子情報 / 統計力学 / 熱平衡系 / 非平衡系 / 量子推定 / 量子光学 / 典型性 / 量子干渉 / 対称性の自発的破れ / 非平衡定常状態

量子力学の世界の奇妙さを際立たせる役者の一人である「量子観測」をキーワードに，それが単に「見る」ことにとどまらず，意外なところで本質的な役割を果たす様々な興味深いテーマに取り組んだ．特に，「量子計測」，「量子制御」，「統計力学の基礎」における「量子観測」の役割に焦点を当てて研究を展開し，「量子計測」や「量子制御」に関わる独自のアイデアを追究して「量子情報技術」に貢献するとともに，「統計力学の基礎」に新たな視点を提供した．

量子論基礎 / 量子情報 / 量子観測 / 量子コヒーレンス / 量子制御 / 量子推定 / 量子干渉 / 量子計測 / 量子―古典境界 / 量子測定 / ボース凝縮 / 対称性の破れ / 量子-古典境界 / 超伝導 / 工子観測 / エンタングルメント / 繰り込み

量子と古典の違いを際立たせる様々な要素のうち「量子コヒーレンス」と「量子観測」に焦点を当て,両者が意外な関わりを持って紡ぐ興味深い現象や方法論を追究した.単に,量子コヒーレンスをいかに捉えるかにとどまらず,量子コヒーレンスがいかに発現するか,量子コヒーレンスをいかに制御するかといったところにまで量子観測が重要な役割を果たす.そんなテーマを通じて量子論の奥深い世界に迫るとともに,量子情報技術に貢献する知見を提供した.

化学物理 / 量子制御 / 量子観測 / デコヒーレンス / レーザー

レーザー場によって量子系にもたらされるコヒーレントな動力学と、観測操作によってもたらされるデコヒーレンス効果を組み合わせることによって新たな量子制御の描像を構築した。この際、頻繁に施される観測操作間の時間発展演算子に対して2次の摂動論を用いた解析を行うことにより、系の有効リウビリアンを導出することに成功した。この有効リウビリアンに対して固有値解析を施すことによって、十分時間を経た後で得られる定常状態の準位分布の性質が運動方程式を直接解くことなしに求められることが明らかになった。レーザー場の強度や観測対象準位を変化させることによって、最終的に得られる定常状態準位分布が制御可能であることがわかった。実際に、A型3準位系、コブラック・ライス型5準位系などのモデル系において、上記の制御法を適用したところ、レーザー光強度と観測対象準位を変化させることにより様々な終状態準位分布を得ることが出来た。また、強レーザー場による準位間の結合が観測過程に対応することを利用し、一般多準位系に対して、(1)全系を見かけ上相互作用しない部分系に分割するような強レーザー場照射の条件を求め、(2)孤立化された部分系に対して従来の制御法を適用する、という手順に従って、緩和過程を見かけ上抑制することが出来る量子制御描像を構築した。この際、2次の摂動論を適用することにより孤立化された制御対象部分系の動力学を規定する有効ハミルトニアンを導出し、空間分割によって実現される中間状態からの緩和過程の抑制について詳細な議論を行った。

量子制御 / 進化的計算 / レーザー / 量子観測 / デコヒーレンス / コヒーレント制御 / 波束動力学 / 化学反応制御 / 局所制御理論

進化的計算を利用し、パルス形や振動数成分について拘束条件が課された現実的な制御レーザーパルスの設計を行った。この際、進化的計算のアルゴリズムとして交差モデルとして拡張正規分布交差を、世代交代モデルとして最小世代間断裂モデルを採用している。また、ラムダ型3準位系における定常レーザー場を用いた分布制御について新たな機構を提案した。この際、電磁波を量子化することにより分子とレーザー場が強く結合した状態を「着衣の状態」として取り扱った。シュレディンガー方程式の解析解を求め、目的の終状態への遷移が最大になる様に強度、振動数等のレーザーパラメータを設計した。中間状態に緩和が存在する場合についても検討を行ったところ、緩和が小さい場合は準位分布の振動を規定している固有振動の位相をうまく合わせる様にレーザー強度と離調の関係を調整する方法が有用であることが分かった。一方で、緩和が大きい場合は、離調を十分大きくとり中間状態の分布を極力抑える手法が有効であった。一方、観測による波束の収縮を量子系の駆動力として捕らえることにより、新たな量子制御のスキームの構築を試みた。デコヒーレンスを能動的に起こさせる手段として量子系における観測操作に注目し、「位相をそろえる」というコヒーレント制御的な操作と「位相を破壊する」という観測操作をうまく組み合わせた新たな量子制御の可能性を提示した。この際、観測操作に対応する量子力学的演算子の定義、観測操作下における時間発展を記述する運動方程式の導出及び計算方法を確立した。構築した理論をラムダ型3準位系に適用したところ、観測が行われない場合に見られた準位分布の移動が観測によって誘起されたデコヒーレンス効果によって阻害されることが明らかになった。この結果は、観測操作を系に対する制御入力とみなす新たな量子制御の可能性を示唆している。

【研究協力者】
中里弘道	早稲田大学	理工学術院	教授	(Kakenデータベース)
BURGARTH Daniel	Aberystwyth University	数学物理学科	Reader
FACCHI Paolo	University of Bari	物理学科	教授
GIOVANNETTI Vittorio	イタリア高等師範学校	物理学科	准教授
PASCAZIO Saverio	University of Bari	物理学科	教授

【研究協力者】
中里弘道	早稲田大学	理工学術院	教授	(Kakenデータベース)
BURGARTH Daniel	Aberystwyth University (英国)	数学物理学科	講師
GIOVANNETTI Vittorio	Scuola Normale Superiore, Pisa (イタリア)	物理学科	准教授
PASCAZIO Saverio	University of Bari (イタリア)	物理学科	准教授