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研究紹介 (素粒子グループ)

素粒子グループでは、場の量子論や超弦理論などに基づいて、素粒子物理学の理論的な研究が行われています。

私たちのグループは、時空・物質・相互作用を統一的に記述する量子重力理論の構築に向けた超弦理論・場の量子論の解析、ゲージ/重力対応の検証と応用、量子色力学に基づくクォーク・グルーオン系における摂動・非摂動効果の解明など、素粒子物理学分野の多岐にわたる研究を推進し、多くの成果が得ています。また、活発に開催されるセミナーや研究集会などを通じた他大学の研究者との共同研究や研究交流が盛んに行われています。数理物理学や数学との関連が重要であるという観点から、立教大学 数理物理学研究センターとも密接な連携を図り、学術交流や研究活動の活性化を推進しています。

以下では、研究内容の紹介が見られます。

ブラックホール・AdS/CFT対応・量子情報 (宇賀神 知紀)
場の量子論や弦理論周辺の数理物理学 (初田 泰之)
ゲージ・重力双対性と関連する素粒子・重力理論 (石井 貴昭)
ゲージ・重力双対性と量子重力理論 (鈴木 健太)
研究紹介 (宇宙グループ)

ブラックホール・AdS/CFT対応・量子情報 (宇賀神 知紀)

一般相対論は古典的な時空の物理を精度良く記述する理論です。近年の重力波の直接観測や Event Horizon Telescope の結果等から、その信憑性は揺るぎないものになっています。 しかし同時に、我々は一般相対論がミクロな世界の時空構造をうまく記述できないことも知っています。例えば(ノーベル賞を受賞した)ペンローズが証明した特異点定理はその証拠の一つです。またブラックホールが熱力学的エントロピーを持っているという事実は、時空そのものが、より基本的な微視的要素の集まりから構成されることを示唆してい ます。このような背景を踏まえて、時空の微視的な性質を記述する理論、いわゆる量子重力理論を定式化するのが、私の研究の大きなゴールです。

私はこのミクロスケールでの時空構造の問題に、超弦理論における双対性(ホログラフィー原理、AdS/CFT対応とも呼ばれる)と量子情報理論を組み合わせて解析するというアプローチで挑戦しています。ホログラフィー原理は、D+1次元時空量子重力理論が、D次元の重力を含まない場の量子論と等価になるという現象です。ではD+1次元の重力を含む時空が、どのようにD次元場の理論から“創発“するのでしょうか?この謎を解き明かすことで、理論物理最大の難問である量子重力理論に迫れると期待されています。 特に近年D次元場の理論における量子情報理論的性質が、D+1次元重力の創発に非常に重要な役割を担っていることがわかってきました。

さらにこの知見を活用することによって、ブラックホール(以下BH)内部の時空構造の量子論的な起源についての理解は飛躍的に深まりました(この進展はアイランド公式として知られています)。アイランド公式は、BH内部が宇宙最速の量子コンピュータであり、 量子誤り訂正符号としてホーキング放射の中に埋め込まれていることを示唆しています。(量子誤り訂正技術は、実際に量子コンピュータを用いて計算を行う際に欠かせない技術です。) 以上を踏まえて、私は(1)量子情報理論的アプローチを用いてブラックホール内部の時空構造をホーキング放射から再構成する具体的手法の開発(2)我々の住んでいる宇宙の模型であるドシッター空間の、量子コンピュータとしての性質の解明をテーマとして研究をおこなっています。また以前は量子情報理論的手法(特に相対エントロピーと呼ばれる量を用いた)の素粒子論以外の分野(物性論、非平衡物理)への応用にも取り組んでいました。

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