量子情報流を活用した「マクスウェルのデーモン」を実現―エネルギー効率に優れた量子制御の実現に向けて―

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の矢田季寛大学院生、沙川貴大教授、同大学素粒子物理国際研究センターの吉岡信行准教授（研究当時：同大学大学院工学系研究科物理工学専攻助教）、ハーバード大学物理学専攻のピーター・ヤン・スタス大学院生、アジーザ・スレイマンザーデ研究員、ミハイル・ルキン教授、同大学工学・応用科学スクールのエリック・クナル大学院生らによる研究グループは、シリコン空孔中心（注1）の電子スピン量子ビットに対して、状態の測定とその測定結果に応じたフィードバック操作を繰り返し行うことで、量子情報の「流れ」（注2）を活用して熱力学的エントロピー（注3）を減少させる「マクスウェルのデーモン（注4）」を実験的に実現しました。 さらに、量子情報流（注2）や熱力学的エントロピーを実験的に評価することで、それらの関係を示す熱力学の基本法則の検証に成功しました。本実験では、システムのコヒーレンス時間（注5）よりもはるかに短い時間で素早くフィードバック制御を行うことで、高い精度での検証を可能にしました。また本研究では、直前の測定だけでなく、それ以前に得られた測定結果の履歴も踏まえて制御を行う非マルコフ的（注6）なフィードバックを用いた場合に、直近の測定結果のみに基づくマルコフ的（注6）なフィードバックに比べて、どれだけ多くの熱力学的な利得（注7）を取り出せるかも実験的に評価しました。これらの結果は、量子情報と熱力学を一つの枠組みで捉える理論の基盤となるものであり、量子制御のエネルギーコスト（注8）の解明にもつながると期待されます。
本研究成果は、2025年8月26日（米国東部夏時間）に科学雑誌「Physical Review X」のオンライン版に掲載されました。

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