Research

量子コンピュータで実現する非平衡量子状態

非平衡量子多体系は，パルス励起や周期駆動のもとで平衡相とは異なる秩序や普遍性を示し得るため，近年の凝縮系物理の重要な潮流になっています．一方で，実時間発展は一般にエンタングルメントを急速に増大させ，テンソルネットワークに基づく古典シミュレーションの適用範囲を狭めます．この計算困難性は，量子コンピュータを「新しい計算資源」として位置付ける自然な動機でもあります．もっとも，現状のNISQデバイスはノイズを含むため，誤り訂正前提の量子アルゴリズムを待つのではなく，離散時間ユニタリ回路や測定を含む量子回路ダイナミクスそのものを非平衡物理のプラットフォームとして開拓する研究が注目を集めています．   

この文脈で，周期駆動（Floquet）系における時間並進対称性の自発的破れとしての離散時間結晶は，非平衡秩序の代表例です．外部駆動周期に対してサブハーモニックな応答が長時間安定に現れるためには，加熱の抑制や安定化機構が本質になります．量子回路は離散時間の枠組みを最初から備え，実機実装にも直結するため，時間結晶研究をNISQ時代に接続する格好の舞台です． 

 私は，最近の研究の中で，量子回路多体系における離散時間結晶の成立条件と安定性を精査し，回路設計，エラー緩和，古典シミュレーションとの比較を行っています．結果として，非平衡多体ダイナミクスの理解を深めると同時に，「エンタングルメントが増えて古典計算が難しくなる」領域でこそ量子デバイスの能力が最も活かされる，という研究戦略を具体化しています．量子回路を計算手段としてだけでなく，非平衡量子相を合成し検証する実験系として用いる方向性を明確に示す点が，本研究の魅力です． 

代表論文

• K. Shinjo, K. Seki, and S. Yunoki, arXiv:2603.11910.

• K. Shinjo, K. Seki, and S. Yunoki, arXiv:2510.13577.

• K. Shinjo, K. Seki, T. Shirakawa, R.-Y. Sun, and S. Yunoki, npj Quantim Inf. 12, 41 (2026).

強相関電子系では，電子は互いに強く反発し合い，単純に自由に動く粒子としては振る舞いません．その結果，電荷とスピンという二つの自由度が密接に結びつき，通常の金属や半導体とはまったく異なる光応答を示します．とくにモット絶縁体では，本来は電気を流さないにもかかわらず，光を当てると電子と空孔の対が生成され，その運動が周囲のスピン秩序を乱しながら進むという，強相関特有のダイナミクスが現れます．  

このとき，スピンの反強磁性的な相関は，生成された電子と空孔の対に実効的な引力を与え，光吸収スペクトルの立ち上がり付近に励起子と呼ばれる特徴的なピークを生み出します．これは単なるバンド間遷移では説明できない，スピンと電荷の協同的な運動の直接的な指標です．光学伝導度を詳しく調べることで，電子がどのように相互作用し，どのように集団的に動いているかを，時間とエネルギーの両面から読み取ることができます．  

近年では，時間依存密度行列繰り込み群法（tDMRG）などの非摂動数値計算により，二次元ハバード模型の光学応答を定量的に求めることが可能になりました．その結果，理論計算で得られた吸収スペクトルは銅酸化物モット絶縁体などの実験結果とよく一致し，強相関電子系におけるスピンと電荷の結びつきが光学応答にどのように現れるかが，具体的な形で理解されつつあります．  

このように強相関電子系の光学応答の研究は，電子が単独ではなく集団として振る舞うことで生まれる新しい量子現象を，光という手段を通して直接観測し理解する試みです．そこには，物質の基本的な電子状態の理解だけでなく，新しい光機能材料や量子物性の発見につながる大きな面白さがあります．  

代表論文

• K. Shinjo, S. Sota, S. Yunoki, and T. Tohyama, Phys. Rev. B 111, 235125 (2025) [arXiv: 2411.00313].

• K. Shinjo, S. Sota, and T. Tohyama, Phys. Rev. Res. 4, L032019 (2022) [arXiv: 2202.04322].

• K. Shinjo, Y. Tamaki, S. Sota, and T. Tohyama, Phys. Rev. B 104, 205123 (2021) [arXiv: 2109.06226].

強相関電子系では，電子同士の反発が強いために，電子を独立粒子として足し合わせる一粒子描像が崩れ，系全体が新しく「創発」された量子状態としての性質を示します．その結果として現れる新奇量子相の典型が，秩序パラメータで特徴づけにくい量子スピン液体や，完全な無秩序でも単純な磁気秩序でもない中間的な「部分秩序」をもつ量子液晶です．典型的には，前者は，スピンが局所的な秩序を持たないかわりに，量子もつれで特徴づけられる非局所的相関を持ち，後者は，縞状の電荷分布や電流の渦のように，空間対称性の一部だけが破れることで姿を現します．

たとえばKitaev模型では，強い異方的な交換相互作用によるフラストレーションが量子ゆらぎを増幅し，スピン液体が安定化しますが，物質中に存在する他のスピン相互作用による摂動を加えるとそのすぐ近くに多様な磁気秩序が並び立つことが，拡張Kitaev–Heisenberg模型を2次元DMRGで調べた研究でわかっています．同時に，スピン液体ではエンタングルメントスペクトルがペア縮退を示す一方，磁気秩序相では非縮退になりやすいこと，またSchmidt gapがスピン液体に隣接する相境界で変化することが示され，量子もつれの構造がKitaevスピン液体相を特徴づけることに役立つことが具体例として示されています．  

その一方で，電荷自由度が加わると，ストライプ型の電荷秩序や超伝導状態が実現し得ます．スピン・ループ電流（sLC）に注目した研究では，ループ電流を量子液晶の表れとして捉え直し，DMRGで，ピン止め場を使ってスピン電流の空間パターンを可視化しながら，どのような条件でsLC相関が長距離化するかを調べています．その結果，励起子凝縮が起きる場合やブロック型反強磁性が育つ場合にsLC相関が成長することがわかりました．さらに正方格子上のt-t'-U模型（次近接ホッピングのあるハバード模型）では高温超伝導体で議論されるパラメータt'/t=−0.25で，𝛿 = 0.125の密度でホールドーピングしたときに軸状のsLCが現れ，電荷ストライプと共存することもわかりました．  

まとめると，強相関電子系における新奇量子相の研究とは，強い相互作用が作る競合と量子ゆらぎによって，従来の「単純な」秩序だけでは尽くせない量子力学的な未知の集団状態を明らかにすることだと言えます．

代表論文

• K. Shinjo, S. Sota, S. Yunoki, and T. Tohyama, Phys. Rev. B 108, 195118 (2023) [arXiv: 2305.13557].

• K. Shinjo, S. Sota, and T. Tohyama, Phys. Rev. B 91, 054401 (2015)  [arXiv: 1410.4790].