DATE2026.11.04 #Press Releases

エントロピー増大則を量子力学から証明

― マクロ物理量に基づく熱平衡と操作の量子力学的枠組みを構築 ―

概要

理化学研究所（理研）開拓研究所濱崎非平衡量子統計力学理研白眉研究チームの千葉侑哉基礎科学特別研究員（研究当時、現客員研究員）、濱崎立資理研白眉研究チームリーダー（数理創造研究センター数理基礎部門上級研究員）、量子コンピュータ研究センター量子計算理論研究チームの米田靖史基礎科学特別研究員（研究当時、現客員研究員）、東京大学大学院理学系研究科附属フォトンサイエンス研究機構の清水明特任研究員／名誉教授（大阪大学量子情報・量子生命研究センター（QIQB）特任教授）の共同研究グループは、熱力学における「熱平衡状態」と「操作」を量子力学的に表現する枠組みを構築し、それを用いて「熱力学第二法則」の最も重要な表現である「エントロピー増大則」が成り立つことを証明しました。

本研究成果は、ミクロ世界の法則である量子力学から、マクロ世界の法則である熱力学がどのようにして創発するかを理解することにつながり、さらには量子系の制御の指針を与えると期待されます。

近年、量子力学における状態の中には、熱力学における熱平衡状態に対応するものが数多く存在すると考えられています。一方、これらの状態に、量子力学でこれまで考えられてきたようなさまざまな操作を施すと、熱力学第二法則に矛盾してしまうようなケースが存在するため、量子力学と熱力学の整合性が問題となっていました。

今回、共同研究グループは、マクロに意味のある物理量を提案し、それを使って、熱平衡状態、熱力学的な操作、エントロピーを、量子力学的に定式化しました。その結果、どんな熱平衡状態についても、熱力学第二法則の基礎的な表式であるエントロピー増大則が、量子力学から導かれることの証明に初めて成功しました。

本研究は、科学雑誌『PRX Quantum』オンライン版（11月3日付：日本時間11月4日）に掲載されました。本研究成果は、米国物理学会の報道機関向け広報対象論文に選出されました。

マクロおよびミクロ操作に対して考え得る遷移と本研究で不可能性を証明した遷移
（Image: Issey Takahashi） 

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