川上則雄 理学研究科教授、小布施秀明 北海道大学助教、望月健 同修士課程学生、 金多景 チューリッヒ工科大学修士課程学生らの研究グループは、東南大学（中国）などと共同で、開放量子系（外界からの影響?ノイズ、外界との粒子やエネルギーのやり取りがある開放系のうち、量子力学的な記述に基づき考察を行うもの）におけるPT対称性と呼ばれる新奇対称性と、トポロジカルな性質（切ったり穴を開けずに、曲げたりねじることにより連続的にある物の形を変える時に、変形の前後で変わらない性質）に由来する局在状態の理論を、ある開放量子系に対し構築しました。さらに、その対称性に伴う特異な局在状態を実験で観測することにより、開放量子系におけるPT対称性を世界で始めて実証しました。
本研究成果は、2017年7月31日に英国の学術誌「Nature Physics」でオンライン公開されました。
研究者からのコメント
本研究を中心となって进めている小布施秀明氏（北海道大学）とは、同氏が京都大学物理教室にポスドクとして滞在した时から共同研究を行っています。今回の実験舞台となった「量子ウォーク」の理论研究はその时に开始したものです。この研究が、最近话题となっている「笔罢対称性を持つ开放量子系」（粒子の出入りのある量子系）へと大きく発展しました。笔罢対称性を持つ开放量子系は、今后、研究が急速に进展すると期待される物理学の重要なテーマです。
概要
粒子が出入りする状况の量子力学での説明には困难が伴いますが、笔罢対称性（空间座标を反転しても物理法则が変わらないことを意味する空间反転対称性と、时间の进む向きを反転しても物理法则が変わらないことを意味する时间反転対称性の2つを组み合わせた対称性）という特殊な対称性がある场合、そのような状况を简単に説明できるという理论提案がなされていました。しかし、真に量子力学に従う开放量子系に対して笔罢対称性による记述が可能かどうかは、未解决のままでした。
本研究グループは、粒子の流入と流出の钓り合いがとれた状况下で现れる笔罢対称性とトポロジカルな性质に由来する量子状态についての理论を构筑し、その状态を観测することにより、理论の正当性を実証しました。
本研究成果をさらに発展させることにより、量子コンピューター実现のために必要な、构成デバイス间の情报の量子力学的な伝达を安定かつ効率的に行う新たな手法や、新规のレーザー発振などの応用への道が开けることが期待されます。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
L.Xiao, X.Zhan, Z.H.Bian, K.K.Wang, X.Zhang, X.P.Wang, J.Li, K.Mochizuki, D.Kim, N.Kawakami, W.Yi, H.Obuse, B.C.Sanders & P.Xue (2017). Observation of topological edge states in parity-time-symmetric quantum walks. Nature Physics, 13(11), 1117-1123.
