.ハイゼンベルクは1927年、正準共役な2つの物理量は同時に正確に測定できないことを示し、有名な不等式でその誤差の限界を表した。しかし当時の測定理論では、正確な測定により波動関数が完全に収縮すると仮定されており、この不等式はすべての測定で成り立つわけではなかった。実際、干渉計型重力波検出装置の感度限界を表す「標準量子限界」がハイゼンベルクの不等式から導かれたが、後に、可解な相互作用を持つ間接測定モデルにより破れることが示された。ハイゼンベルクの不等式を普遍妥当性のある新しい不等式に改めるためには、物理的に実現可能なすべての測定を特徴づける数学理論、正しい測定の状態依存的特徴づけ、測定誤差の定義の公理的特徴付けなどの理論的整備が必要であったが、現在、それらの問題はほぼ解決され、いくつかの実験で実証されている。また、最近、正しい測定の特徴づけから、測定値の間主観的一致性が導かれ、現行の解...
量子力学の適用範囲は応用も含め多岐にわたっている．また、量子力学の予測が高精度に正しいことは多くに実験で立証されたきた。ところが、量子力学の予測が確率的であること、直感では理解しがたい現象などが、多くの物理学者をも惑わし続けている。特に、量子系で何が起こっているかといった、量子系のダイナミックスに関してはいまだに統一的な見解があるとは言い難い。この講演では、粒子としてイメージしやすい中性子を使った光学実験を紹介する。中性子の干渉とスピンを用いた実験を通して、波動と量子の二重性、あるいは実在性、局所性や因果律などといった量子力学独特のミスティーに挑戦する。特に、不確定性関係に関する最近の動向および不思議の国のアリスに出てくる猫にちなんで名づけられた、「量子チェシャ猫」と呼ばれる、マッハ・ツェンダー干渉計内で中性子とそのスピンがそれぞれのパスで透明化あるいは分離する実験を紹介する。
量子技術の急速な発展とともに，量子系の精密な制御が可能となっている．様々な機能発現の設計には，熱浴や電子溜のみならず，量子系を取り巻く環境世界との不可避的な相互作用を考慮する必要がある．これを可能にするのが，量子開放系（外部とのエネルギー・粒子のやりとりを考慮する系）の取り扱いである．本講演では，量子マスター方程式を用いた量子開放系の記述に焦点を絞り，特に短時間領域の振る舞い（非マルコフ効果）が量子情報・量子熱力学などで果たす役割にについて述べる．
近年，量子情報科学において，数式に代わる表現手法として「図式表現」が注目を集めつつある。図式は，数式と同様に厳密な表現や式変形が可能であると同時に，しばしばより視覚的で理解しやすいという利点を持つ。本講演では、量子論における図式の基礎を紹介するとともに，図式を活用した研究事例を紹介する。
マクロ世界では，量子論とはまるで異なるマクロ法則が成り立っている．なぜ量子論からそのような法則が出現するのだろうか？ このミクロ法則とマクロ法則の乖離の問題は，古典力学の時代から議論されてきた大問題であるが，量子力学の誕生により，新たな光があてられて続けている．
発表者らが最初にこの問題に取りくんだのは，伝導体の非平衡ゆらぎが，メゾスコピック伝導体とマクロ伝導体では，定性的にもまったく異なる振る舞いを示す原因が．decoherenceではなくdissipationであることを示したことであった[1]．decoherence...
近年の実験技術の向上により、一分子・一原子レベルでの精密な測定・操作が可能になった。1990年代以降、このような熱ゆらぎや量子効果が無視できないようなミクロな領域へと熱力学が拡張され、ゆらぎの熱力学や量子熱力学と呼ばれる分野が進展している。さらに、情報熱力学と呼ばれる分野では、測定やフィードバックなどの情報処理過程における情報量と熱力学量の関係が明らかになった。熱力学第二法則が与えるエネルギーコストの最小値を達成するためには操作を無限にゆっくりと行う必要がある一方、実用上は素早い操作が必要であり、有限時間における熱力学的最適化の研究がここ10年程度で活発に行われている。特に、エネルギーコストと操作速度やカレントの精度の間のトレードオフ関係が、熱力学的速度限界や熱力学的不確定性関係などによって定式化された。
本発表では、熱力学の法則が量子効果によってどのように修正されるのか、また...
本講演では、これまでの量子暗号のセキュリティ理論の研究の中で、筆者が量子力学の面白さを感じた事例をいくつか紹介したい。量子力学はいろいろと興味深い性質を持っているが、さらに面白いのは、そのいろいろな性質が裏でつながっている点にある。量子力学を規定する基本ルールはとても単純なので、そのつながりはある意味で当然のことかもしれない。量子暗号の理論は、そんな高尚な話ではなくて、いかに安い装置で効率よくセキュアな暗号通信を行えるか、という、言ってみれば下世話な動機に基づく研究である。しかし、量子力学のそんな性質のおかげで、量子暗号とは直接には関係しないトピックとの意外な関連があったり、あるいは、そういったつながりを積極的に利用して、寄せ手絡め手から問題を解決しようとしたりするので、ときに、量子力学の真髄を垣間見た気分になる。そんな感慨を少しでもお伝え出来たら幸いである。
量子力学は、ベル不等式に代表されるように、日常的な直観に反するような概念をその基礎に含んでおり、解釈をめぐって多くの深い議論が行われてきた。20世紀の終わり近くに、このような量子力学の不思議な原理を直接利用することにより、従来よりも優れた情報技術を実現できることが理論的に示され、量子技術に関する研究が活発に行われるようになった。現在では、我が国でも、経済成長や我々の安心で豊かな生活に直接貢献するという期待から、多くの研究開発資金が投入されている。そのような量子技術の中で、最も応用に近いと考えられ、早期の実用化が期待されてきたのが量子暗号である。量子暗号は、どんなに高度な技術を有する盗聴者に対しても安全な通信を実現できる技術であり、従来の技術の場合は解くのに時間が掛かるという計算量的な安全性しか実現できないのに対し、質的に優れた安全性を可能にする。その期待に応えるように、実験及び理論研...
量子力学から古典力学を導こうとする試みはこれまでにも多数あるが、私は、InonuとWignerの群表現の縮約方法を拡張して、非可換代数の表現にある種の限定と極限操作を施すことによって別の代数を構成し再びその代数を表現しなおす再代数化（re-algebrization）という方法を考案した。この方法を量子系の正準交換代数に適用して、古典系のポアソン代数を導くことを提案する。さらに代数的量子論の状態概念を適用することにより、確率解釈（統計解釈）が自然に導かれることを示す。
量子論における不確定性の研究は、この一世紀ほどの間に様々な深化や精密化の姿を見せ、また多彩な様相を呈するようにもなった。本講演では、量子論における不確定性の三つの典型的様式である量子ゆらぎ、測定精度、および観測効果の関係を概観し、これらの代償関係を誘起するところの普遍的構造を吟味することで、不確定性原理の統一的な定式化の可能性を探る。とりわけ、現代的な量子測定理論や量子情報理論における標準的な前提に照らした不確定性原理の普遍性に触れ、また量子論の不可能定理におけるその含意を再訪する。
宇宙の構造や宇宙背景放射の温度揺らぎを量子揺らぎから説明することに成功したインフレーション理論は、原始重力波の存在を予言しています。原始重力波は、インフレーション中の時空の量子揺らぎから直接生成されます。重力波は物質との相互作用が弱いため、透過性が高く、インフレーション中に生成された際の量子性を保ったまま、現在まで伝搬してくることが期待されています。本講演では、量子情報理論の最近の発展を原始重力波に応用することで，その量子性が検証可能かどうかを議論します。
代数的場の量子論は、場の量子論の作用素環による数学的な公理的な枠組みの一つである。そこでは、場の量子論のモデルは、時空の各領域に作用素環を対応させる写像として定義される。各領域の作用素環は、その領域で観測できる物理量が生成する環と解釈される。このような抽象的な枠組みからも、散乱行列、相互作用の有無、２つの状態の間の相対エントロピーなどを定義することが可能である。現実的な場の量子論の構成が困難な中、場の量子論とは数学的にどんなものであるべきかを調べるために考えられた枠組みであるが、構成的場の量子論や、近年の共形場理論発展によって、低次元時空では多くの例が作られてきた。近年になって、場の量子論での測定を論じる試みも発展してきている。本講演では、これらに関係した基礎的な問題と今後の展望を概観する。
巨視的な系で量子重ね合わせの証拠をつかみたいという興味で始まった超伝導回路の研究が、電気回路の量子力学的な振る舞いに関する理解を導いた。また、当初想定外だった、量子情報さらには量子コンピュータに関する理論の発展に触発されて、超伝導量子ビットの実現につながった。ジョセフソン接合を有する非調和的な共振回路としての超伝導量子ビットは、そのコヒーレンス性能の向上に伴い、数十から数百量子ビット規模の量子プロセッサユニットへの集積化を可能としている。一方、現在、集積化のスケールアップと、量子ビットの制御および読み出し忠実度の向上が課題となっている。多数の量子ビットからなる回路の上で実現される量子計算は、巨視的な系での量子重ね合わせを体現する。
スケーラブルな量子コンピュータの実現には、長いコヒーレンス時間と高い接続性を両立する量子ビットが求められる。電子は、電荷とスピンという2種類の自由度を持ち、さらに可搬性も備えることから、有望な候補である。半導体中の電子を用いた電荷量子ビットでは、コヒーレンス時間は約1マイクロ秒に限られていた[Connors et al., Nat. Commun. 13, 940 (2022)]が、固体ネオン上の浮揚電子を用いた電荷量子ビットは2022年に初めて実現され、真空中という純粋な環境により約100マイクロ秒のコヒーレンス時間が得られている［Zhouら, Nature 605, 46 (2022); Nat. Phys. 20, 116 (2024)］。さらに、スピン状態のコヒーレンス時間は1〜100秒に達する可能性が理論的に示されている［Chenら, Quantum Sci....
古典論とは対照的に量子論において状態は連続的な自由度を持つ。一方でスタビライザー状態は代数的に定義された量子状態のクラスであり、離散的な自由度しかもたない。スタビライザー状態はエンタングルメントなどの基本的な性質を持つ量子状態(例えばベル状態)を含み、量子誤り訂正符号や測定型量子計算などの量子情報処理において重要な役割を果たす。スタビライザー状態は1990年代後半に定義されたが、その約10年前にフランスの数学者 André Bouchet によって数理的に等価なものがマトロイド理論の文脈で定義されていた。また関連して、グラフマイナー理論と類似したグラフ頂点マイナーの理論が2005年頃から研究されている。本発表ではこれらの数学的概念が量子情報とは独立に発展してきた歴史と量子情報研究との関係について紹介する。
黒体輻射の古典的記述の破綻に端を発した量子論は、その後の行列力学・波動力学の定式化から百年を経た今日においても、その根幹たる量子的自然像とは何かについて一致した見解を得るには至っていない。本講演では、80年代半ばから素粒子論・場の量子論の研究に携わった１個人としての立場から量子力学の基礎の研究の流れを振り返り、今後の研究の方向性について感想を述べたい。場の大域的性質と量子力学的対称性の破れ（量子異常）、ゲージ理論の非同値量子化といった量子論の構成に関わる問題や、量子もつれ状態の内包する非古典的な様相や不確定性関係の確率論的な視点、さらに量子物理量としての「弱値」の解釈等に触れつつ、古典物理との連続性と断絶性の両面を持つ量子物理の将来像について、独自の偏見に基づいて展望する。
