理化学研究所数理創造研究センター (iTHEMS) | iTHEMS

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量子測定が誘起するトポロジカル相のバルクエッジ対応

濱崎立資上級研究員を含む研究グループは、測定下の量子系の有効エネルギーの準位構造とバルクのトポロジカル不変量を調べる方法を提案し、その方法を実際に用いて量子測定によって誘起されるトポロジカル相転移の理論的解析を行いました。その結果、幻の粒子とも呼ばれる「マヨラナ粒子」に由来するゼロエネルギーエッジ状態が、測定下のトポロジカル相で出現することを発見しました。また本研究では、孤立量子系で普遍的に成立するトポロジカル相のバルクエッジ対応が測定下の量子系においても発現することを実証し、測定によって誘起されるトポロジカル相転移の強固な理論的基盤を与えました。本研究で用いた手法は広いクラスのトポロジカル相に対して用いることができる汎用性があり、測定によって誘起される量子相の体系的・統一的な理解につながると期待されます。詳細は関連リンクをご覧下さい。

2025-06-23
量子-スパコン連携による量子化学計算に成功

理化学研究所（理研）計算科学研究センター量子系物質科学研究チームの白川知功上級研究員（量子計算シミュレーション技術開発ユニット上級研究員、開拓研究所柚木計算物性物理研究室上級研究員、数理創造研究センター量子数理科学チーム上級研究員、量子コンピュータ研究センター量子計算科学研究チーム上級研究員）、柚木清司チームプリンシパル（開拓研究所柚木計算物性物理研究室主任研究員、創発物性科学研究センター計算量子物性研究チームチームディレクター、量子コンピュータ研究センター量子計算科学研究チームチームディレクター、最先端研究プラットフォーム連携（TRIP）事業本部統合データ・計算科学プログラムプロジェクトディレクター）らの国際共同研究グループは、IBMの量子コンピュータと理研のスーパーコンピュータ「富岳」を組み合わせた計算を通じて、従来の古典計算機では解析が困難だった量子化学の問題に対し、量子計算の実用化に向けた有効性を実証しました。本研究では、量子コンピュータの実機から得られた出力をスーパーコンピュータで処理することで、50量子ビットを超える大規模な量子化学系において、初めて科学的に意味のある結果を得ることに成功しました。これにより、量子化学分野においても、古典計算の限界を超える規模の問題に対して量子計算が有効であることが示され、量子コンピューティングの実用化に向けた大きな前進となりました。詳細は関連リンクをご覧下さい。

2025-06-23
RIKEN NEWS: 「データオタク」が開く新たな世界

カトゥリン・ボシゥメン副センター長のインタビュー記事が、理研の研究紹介ページ「クローズアップRIKEN 2025」のRIKEN Peopleに掲載されました。ウイットに富んだ超高速の語り。そして笑顔。人間の魅力と可能性を感じさせる研究者である。数理創造研究センターのカトゥリン・ボシゥメン副センター長。「ウイルス物理学」という新たな研究分野を開拓し、物理学の手法を用いて、目に見えない脅威になり得るウイルスを探究している。続きは、関連リンクをご覧ください。

2025-06-23
空間的な生物多様性を推論するための理論を構築－生物多様性の地域間の違いや増減を定量評価－

理化学研究所（理研）数理創造研究センター数理基礎部門の入谷亮介上級研究員、京都大学大学院農学研究科の辰巳晋一准教授らの国際共同研究グループは、空間的な生物多様性の確率分布を推定するための理論を構築しました。本理論は、生物種の在・不在をファジー集合理論の枠組みを用いて表現し、理論物理学で用いられる手法や数学的概念を駆使して解析を行った学際的研究成果です。本成果は、生息する生物種数の地域間の違いやその増減を定量評価し、生物圏における環境変動が生物多様性に及ぼす影響を予測することに貢献すると期待されます。詳細は関連リンクをご覧下さい。

2025-06-12
Understanding dynamics and quantum chaos through Krylov space

In everyday life, we often associate chaos with randomness, disorder, or unpredictability—phenomena that appear to lack any discernible pattern. However, from a physics standpoint, understanding chaos requires a more rigorous and precise mathematical framework. In classical physics, chaos is often perceived through its sensitive dependence on initial conditions. Small perturbations in an initial state of a system can lead to vastly different outcomes over time, a behavior commonly known as “butterfly effect”, and typically analyzed within the framework of phase space trajectories, and its detailed topological properties. In contrast, chaos in the quantum realm presents unique challenges. The notion of sharp trajectories in phase space clashes with Heisenberg’s uncertainty principle in quantum mechanics, and initial perturbations cannot be treated in a way that mirrors classical intuition. As a result, quantum chaos requires distinct formulations, relying on diagnostic tools like spectral statistics, out-of-time-order correlators, and entanglement measures. However, the relationships between these different probes are not always clear, and a unified understanding remains an open area of research. In recent years, significant progress has been made in understanding quantum chaos through the lens of operator growth, where localized quantum information encoded in simple operators spreads across a system—a process known as information scrambling. Such phenomena is crucial in understanding the thermalization of a system. Krylov space, a subspace of the operator Hilbert space, provides an elegant framework to describe such operator growth. By decomposing operator dynamics using an orthonormal basis, it traces how simple operators evolve into increasingly complex ones—quantified by a complexity measure in Krylov space. A parallel formulation exists for the evolution of quantum states, offering a complementary perspective. Importantly, to make these ideas applicable to realistic physical scenarios, one must consider open quantum systems—systems that interact with their environment. In such contexts, the dynamics become richer, requiring more generic theoretical and computational techniques. Furthermore, efficient quantum control protocols often leverage the structured Hilbert space, with Krylov subspace methods providing computationally efficient frameworks. These methods facilitate guiding systems along desired adiabatic trajectories, reducing runtime and mitigating decoherence effects, as often required for quantum technologies. These developments form the core focus of this review article.

2025-06-04
もつれ合うプラズマの渦と流れを『情報』で読み解く - 量子情報理論にヒントを得た乱流構造の解析手法 -

仲田資季客員研究員を含む研究チームは、量子力学の理論で活用される情報量(情報エントロピー)やその数学的記述法に着想を得て、「情報量の視点」で乱流の状態遷移や相互作用を読み解く新しい解析手法を考案しました。これにより、従来のエネルギー解析では見逃されていたプラズマ中の新たな乱流状態の発見や、大小さまざまな渦や流れの間の重要な相互作用の検出などが可能になりました。また、乱流やゆらぎを観測する実験計測への応用も提案しています。今後はプラズマ乱流のみならず、大気・海洋・社会システムなど、さまざまな“複雑な流れ”や“多数の物理量が連動するゆらぎ”が存在する研究対象への応用展開も期待されます。詳細は、関連リンクより、プレスリリースをご覧下さい。

2025-06-03
理研-バークレーセンターで国際的かつ異分野のコラボレーションを - 金久保優花

「明日、渡米します」。そう話す金久保優花さんは、2024年10月、特別研究員・理研-バークレーフェローとしてiTHEMSに着任しました。専門は素粒子・原子核理論です。iTHEMSのサテライトオフィスである理研-バークレーセンターに長期滞在して研究を進めます。「私にとって完璧なポジション」と金久保さんは言います。その理由を、これまでの歩みとともに伺いました。記事全文は関連リンクからご覧ください。

2025-05-22
Yoshimasa Hidaka received the 25th Soryushi Medal for his unified description of the Nambu-Goldstone theorem

Yoshimasa Hidaka, our Deputy Director, is awarded 25th SORYUSHI MEDAL (Paricle Physics Medal) from Japanese Particle Theory Community. The title of the achievement is “Unified Description of the Nambu-Goldstone Theorem”. The award will be presented at the 80th Annual Meeting of the Physical Society of Japan, to be held at Hiroshima University from September 16 to 19, 2025. Congratulations!!

2025-05-22
Haruki Emori received the “Second Prize”

Our colleague Haruki Emori (Junior Research Associate, iTHEMS) has received the “Second Prize’” in the Poster Session for the Quantinuum 2025 May Training Session. The outstanding presentation poster is entitled “Quantum algorithm for implementing arbitrary quantum instruments based on parameterized quantum circuits”. Congratulations, Haruki!

2025-05-22
“のりしろ”を探してつなぐ - 山本暁久

「ずっと分野と分野の境界領域を歩いてきました」と語る山本暁久研究員。現在は「医学と数理」に注目し、医師の経験知から法則を見つけ数理で翻訳して、生命現象の理解を深めるとともに医療現場に活かすことを目指しています。ここに至るまでのさまざまな出会い、そして境界領域ならではの面白さや苦労について伺いました。記事全文は関連リンクからご覧ください。

2025-05-20

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数理創造研究センター（RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences, 略称 iTHEMS アイテムズ）は、理論科学・数学・計算科学の研究者が分野の枠を越えて基礎研究を推進する、国際研究拠点です。2025年4月1日にプログラムからセンターへと組織改編されました。iTHEMSでは、「数理」を軸とする分野横断的手法により、宇宙・物質・生命の解明や、社会における基本問題の解決を目指しています。

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センター長: 磯暁

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来訪中

Stuart West

Professor, Department of Biology, University of Oxford, UK

期間: 2025年4月10日(木) - 7月7日(月)

来訪場所: 理化学研究所和光キャンパス
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Ashleigh Griffin

Professor, Department of Biology, University of Oxford, UK

期間: 2025年4月10日(木) - 7月7日(月)

来訪場所: 理化学研究所和光キャンパス
Chang Po-Yao

Assistant Professor, Department of Physics, National Tsing Hua University, Taiwan

期間: 2025年6月30日(月) - 8月24日(日)

来訪場所: 研究本館
Nancy Bird

Research Fellow, University College London, UK

期間: 2025年7月27日(日) - 8月1日(金)

来訪場所: 研究本館
Alba Nieto Heredia

Ph.D. Student, L'Institut de Systématique, Évolution, Biodiversité, France

期間: 2025年7月28日(月) - 8月9日(土)

来訪場所: 理化学研究所和光キャンパス

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