物質・情報・時空の統合的理解
「物理学」は、物性物理学・宇宙物理学・素粒子物理学など、対象とするスケールごとに細分化され、それぞれ独自に発展してきました。しかし近年、量子コンピュータをはじめとする量子情報技術の急速な発展により、異なるスケールの物理現象を共通の枠組みで捉え、統合的に研究できる時代が到来しています。
当研究室では量子情報科学を軸として、量子多体系・量子シミュレーション・量子コンピューティング・重力理論など、幅広いテーマに取り組んでいます。特に、量子エンタングルメントや量子状態トモグラフィといった量子情報的な視点を通して、「物質・情報・時空」の統合的理解を目指しています。さらに、冷却原子気体やRydberg原子、量子計算機などの量子デバイスを活用し、物質相の解明から時空の量子シミュレーションまで、多様な現象を卓上で再現・検証する新しい研究を推進しています。
それぞれの代表的な研究成果については、以下の各項目をご覧ください。より詳細な内容については出版論文をご参照ください。また、非専門家向けの解説として、一部の研究成果についてはプレスリリースも公開していますので、下部のリンクからご覧ください。
「物質」
量子フラストレート磁性体の量子・古典クロスオーバー
【D. Yamamoto et al., Nat. Commun. 12, 4263 (2021)】
無数の量子スピンが互いに競合する相互作用によって“フラストレーション”を感じる「フラストレート磁性体」では、量子重ね合わせや量子もつれといったミクロな量子力学の効果が、マクロな実験結果として顕著に現れます。本研究では、鎖状磁性体 CsCuCl₃ に高圧力を加えることで、古典的な磁性体から量子磁性体へのクロスオーバーを連続的に制御できることを理論・実験の両面から明らかにしました。この研究は、量子物質の基礎理解に加え、将来的な革新的量子デバイスへの応用の観点からも注目されています。
負の絶対温度を持つ人工物質の作成方法
【D. Yamamoto et al., Commun. Phys. 3, 56 (2020)】
我々に身近な環境では、温度の下限は摂氏温度で約 −273.15 ℃であり、これは絶対温度（ケルビン温度）では 0 K に相当します。この温度を「絶対零度」といいます。通常、絶対零度が温度の下限であり、絶対温度は 0 K 以上の値しか取りません。このような常識に対して、本研究ではレーザー光で作った人工結晶である光格子中に原子気体を閉じ込めることで、「負の絶対温度状態」を作り出す手順を理論的に提案しました。負の絶対温度では、通常とは力の働き方が反転し、斥力が引力のように振る舞ったり、山型のポテンシャルが原子を閉じ込めたりします。この特異な性質を利用することで、通常の物質では実現が難しい量子状態や、フラストレート磁性体に対応する人工物質を作成できる可能性を示しました。
「情報」
”螺旋（らせん）”を用いた新たな量子もつれ検出法
【G. Marmorini, T. Fukuhara, and D. Yamamoto, PRX Quantum 7, 010355 (2026)】
量子コンピュータや量子シミュレータでは、多数の量子ビットが作る「量子もつれ」をどのように測定するかが重要な課題です。しかし通常の方法では、個々の量子ビットを一つずつ精密に制御する必要があり、大規模化が困難でした。そこで、磁性体に現れるスピンの螺旋構造に着想を得て、「螺旋測定」と呼ばれる新しい量子状態解析法を提案しました。この手法では、量子ビット全体に一様な操作を加えるだけで螺旋状に変化する測定軸を実現でき、個別制御なしに量子状態を効率よく解析できます。さらに、「圧縮センシング」と組み合わせることで、少ない測定回数でも高精度に量子もつれを推定できることを示しました。本研究は、大規模量子シミュレータや量子コンピュータにおける量子状態解析の基盤技術として期待されています。
「時空」
ホログラフィ原理によって着想された新たな物理現象の開拓
【D. Imagawa, K. Murata, D. Yamamoto, Phys. Rev. B 113, 014311 (2026); M. Bamba, K. Hashimoto, K. Murata, D. Takeda, and D. Yamamoto, Phys. Rev. D 109, 126003 (2024)】
ホログラフィ原理とは、高次元の重力理論と低次元の量子系が等価であるという考え方であり、特に AdS/CFT 対応は現代理論物理学における重要な研究テーマとなっています。本研究では、この考え方に着想を得て、量子臨界点にあるスピンリングに局所的な刺激を与えると、その応答が一定時間後に反対側へ“テレポート”したかのように局在して現れ、さらに周期的に往復する新しい現象を確立しました。これは、AdS時空において光が境界から反対側の境界へ往復する運動に対応していると解釈できます。さらに、このようなスピン系は量子コンピュータや量子シミュレータ上で実装可能であるため、境界から与えた量子刺激の“反響（エコー）”を解析することで、双対な時空構造や重力的性質を卓上実験で間接的に探査できる可能性があります。
時空の物理の卓上シミュレーション（”テーブルトップ宇宙”）
【S. Kinoshita, K. Murata, D. Yamamoto, R. Yoshii, Phys. Rev. Research 7, 023197 (2025); ibid. 7, 043135 (2025)】
ブラックホールや宇宙膨張などの時空の物理は、宇宙規模の極限環境で起こる現象であり、直接実験することは極めて困難です。本研究では、量子スピン系を用いてそのような曲がった時空の物理を卓上で再現する「テーブルトップ宇宙」の研究を進めています。特に重要な成果として、曲がった時空の計量と、量子スピン系における相互作用係数の時間・空間依存性との間に対応関係があることを示し、両者を結びつける“辞書”を構築しました。これにより、時空の情報を量子スピン系の制御パラメータへ翻訳し、逆に量子系の振る舞いから時空の物理を読み解くことが可能になります。この研究によって、量子コンピュータや量子シミュレータを用いて、曲がった時空中での粒子生成やブラックホール近傍の物理などを実験室で再現・検証できる可能性が開かれました。将来的には、ホーキング放射のような、実際の宇宙では直接観測や実験が極めて難しい現象を卓上実験で検証できる新たな研究基盤につながることが期待されています。
現在進行中および過去のプロジェクト
| 研究課題 | 提供機関 | 制度名 | システム名 | 研究期間 |
|---|---|---|---|---|
| 物質・情報・時空を統合する量子シミュレーション基盤の創出 | 科学技術振興機構 | さきがけ | 代表 | 2024年10月- 2028年3月 |
| ホログラフィック双対性から導かれる新奇量子物性現象の開拓 | 文部科学省 | 科研費基盤研究(C) | 代表 | 2024年4月- 2027年3月 |
| フラストレート量子スピン系の電場活性磁気素励起の解明（代表：宮原慎） | 文部科学省 | 科研費基盤研究(B) | 分担 | 2026年4月- 2029年3月 |
| 冷却原子実験を用いた空間異方性を持つ三角格子反強磁性モデルの研究（代表：福原武） | 文部科学省 | 科研費基盤研究(B) | 分担 | 2023年4月 -2027年3月 |
| 極限環境や人工物質を利用した量子物性の開拓と制御 | 日本大学文理学部 | 付置研究所所員研究費 | 代表 | 2021年4月 – |
| 圧力下テラヘルツESRによる三角格子反強磁性体CsCuCl3の研究 ⇒ (’25~)量子フラストレート磁性体に対する圧力下テラヘルツ ESR と理論解析 | 神戸大学 | 分子フォトサイエンス研究センター共同利用研究 | 代表 | 2018年4月 – |
現在進行中
研究期間満了
| 人工量子物質による量子ブラックホールの解明（代表：手塚真樹） ＊極限宇宙の物理法則を創る－量子情報で拓く時空と物質の新しいパラダイム（代表：高柳匡）内の計画班 | 文部科学省 | 学術変革領域研究(A) | 分担 | 2021年9月 – 2026年3月 |
| 人工量子系における量子状態同定および量子もつれの定量化法の開発 | 科学技術振興機構 | さきがけ | 代表 | 2021年10月 – 2025年3月 |
| トポロジカル磁性体における電気磁気効果に起因する磁気光学応答（代表：古川信夫） | 文部科学省 | 科研費基盤研究(B) | 分担 | 2022年4月 – 2025年3月 |
| 固体物質系と光格子量子シミュレータを繋ぐ新奇フラストレート量子物性の理論研究 | 文部科学省 | 科研費基盤研究(C) | 代表 | 2018年4月 – 2023年3月 |
| フラットバンドを持つ光格子を用いた新奇超伝導物性の開拓（代表：土屋俊二） | 文部科学省 | 科研費基盤研究(C) | 分担 | 2019年4月 – 2022年3月 |
| 冷却原子の高度制御に基づく革新的光格子量子シミュレーター開発（代表：高橋義朗） | 科学技術振興機構 | CREST | 参加 | 2016年4月 – 2022年3月 |
| 原子の核スピン多自由度を用いた革新的な高温超伝導・磁性の開拓 | 青山学院大学 | アーリーイーグル研究支援 | 代表 | 2020年4月 – 2021年3月 |
| フラストレーションと熱・量子揺らぎによって創発する新奇な相転移現象 | 青山学院大学 | CATプロジェクト | 代表 | 2018年4月 – 2021年3月 |
| 光と量子の最先端技術を用いた人工物質の創造と新奇物性開拓 | 青山学院大学 | アーリーイーグル研究支援 | 代表 | 2019年4月 – 2020年3月 |
| 二次元フラストレート量子スピン系における磁場誘起トポロジカル相転移の理論 （代表：宮原慎） | 文部科学省 | 科研費基盤研究(B) | 分担 | 2017年4月 – 2020年3月 |
| 新奇フラストレート格子多体系の量子相転移の研究 | 文部科学省 | 科研費若手研究(B) | 代表 | 2014年4月 – 2018年3月 |
| 量子多体系における複数秩序共存相の理論的解析 | 理化学研究所 | 基礎科学特別研究員研究費 | 代表 | 2011年4月 – 2014年3月 |
| 異常なヒステリシスを伴う新奇一次相転移現象の理論的解析 | 文部科学省 | 科研費研究活動スタート支援 | 代表 | 2011年4月 – 2013年3月 |
| 強相関電子系の超伝導と磁性に関する理論的アプローチ | 文部科学省 | 科研費 特別研究員奨励費 | 代表 | 2008年4月 – 2011年3月 |
これまでに配信したプレスリリース一覧
| タイトル（リンク） | 年月日 | リリース機関 |
| 量子のもつれを”螺旋”で読む – 個別制御に頼らない量子状態解析法を開発 – | 2026/3/23 | 日大・早大・理研・科学技術振興機構 |
| エントロピー制御による量子シミュレータの極低温冷却法を確立 – 高温超伝導や量子磁性などの仕組みの解明に期待 – | 2024/5/21 | 日大・東京理科大・科学技術振興機構 |
| 超低温の原子の気体が液滴となる新たな形成機構を解明 気体と液体の両方の特徴をもつ、物質の新しい状態 | 2022/3/3 | 近畿大・日大 |
| 圧⼒によって磁性物質の量⼦性を引き出すことが可能に – 古典⼒学と量⼦⼒学のクロスオーバーの制御 – | 2021/07/12 | 日大・神戸大・青学大・東工大・東大 |
| 3色の量子気体を用いた人工的な磁石における新たな量子磁気現象を発見 | 2020/08/05 | 青学大 |
| フラストレートした量子磁性体の量子シミュレーション方法を提唱 – 負の絶対温度をもつ気体の有効利用 – | 2020/03/19 | 青学大・近畿大・科学技術振興機構 |
| 量子干渉効果と格子欠陥が磁気準粒子に及ぼす作用を中性子散乱で観測 | 2019/08/21 | 東工大・青学大・原子力機構・J-PARC |