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【本学研究者情报】

〇大学院工学研究科応用物理学専攻　教授　鸟谷部祥一

【発表のポイント】

• 数学の「最适输送理论」から予测される、限られた时间における热力学的なエネルギーコストの原理的な最小を、初めて実験で実现しました。特に、情报処理の基本过程である「情报消去」に相当する操作に応用しました。
• 光の力で微小粒子を高速?高精度で制御する新开発の「走査型光ピンセット技术^（注１）」により、水中で热ゆらぎを受けてランダムに动く粒子を制御することで、数学の理论が予测する「最适输送」の実现に成功しました。
• 将来的に本成果は、よりエネルギー効率の高い情报処理技术や自律的人工ナノマシン设计の基盘となることが期待されます。

【概要】

私たちが何かを动かすときには、热力学的なエネルギーコストが伴いますが、そのコストには原理的な最小値があります。コンピュータの情报処理も同様で、たとえば、情报を「消去」するにも、どんなに工夫してもこれ以下には减らせない最小のエネルギーコストが存在します。この限界は动かす速さに応じて変化しますが、これまでは无限にゆっくり操作する场合でのみ実験的に示すことができていました。

东北大学大学院工学研究科の及川晋悟大学院生（研究当时）、中山洋平助教、鸟谷部祥一教授は、东京大学大学院理学系研究科の伊藤创祐准教授、东京大学大学院工学系研究科の沙川贵大教授との共同研究により、光の力で微小粒子を高速?高精度に制御する技术を新たに开発し、数学の「最适输送理论」が予测する、时间が限られた状况での理论上の最小エネルギーコストで、情报消去に相当する操作を実现しました。将来的に本成果は、よりエネルギー効率の高い情报処理技术の设计原理の确立につながると期待されます。

本成果は2025年12月1日付で総合科学誌Nature Communicationsに掲載されました。

図1．最適輸送。(a) 微小粒子の操作を「粒子位置の確率分布の変化」とみなす。初期分布と終分布の選び方に応じて、多様な操作を表現できる。(b) 理論的には、分布を地図上の点に見立て、分布間を結ぶ最短経路が、最小エネルギーコストを実現する最適輸送に対応し、分布間の「距離」がエネルギーの最小コストに対応する。(c) 1次元の場合は、左側は左に、右側は右にといったように、分布の「並び」を変えずに各部分を一定の速度で輸送するのが「最適輸送」。

【用语解説】

注1. 走査型光ピンセット技術
顕微镜下でレーザー光を集光すると、その集光点で、1マイクロメートル（1ミリメートルの1/1000）程度の大きさの微小な粒子をピンセットでつまむように捕捉できる。この技术は「光ピンセット」と呼ばれる。集光点をゆっくりと动かすと、粒子はそれに追随して动く。一方、粒子が追随できないぐらい高速で集光点を动かすと、粒子は、各位置の平均的なレーザー强度によって决まるエネルギー地形（ポテンシャル）を感じる。本技术では、集光点の动かし方を高速に制御することで、ポテンシャルの形状を自在に作製し、かつ动的に変化させることを可能にした。

【论文情报】

タイトル：Experimentally achieving minimal dissipation via thermodynamically optimal transport
着者：
及川晋悟　东北大学大学院工学研究科 応用物理学専攻 大学院生（研究当時）
中山洋平　东北大学大学院工学研究科 応用物理学専攻 助教
伊藤創祐　東京大学大学院理学系研究科 附属生物普遍性研究機構／物理学専攻 准教授
沙川貴大　東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻／附属量子相エレクトロニクス研究センター 教授
鳥谷部祥一*　东北大学大学院工学研究科 応用物理学専攻 教授
*责任着者
掲載誌：Nature Communications
顿翱滨：

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学大学院工学研究科
教授　鳥谷部 祥一
TEL: 022-795-7950
Email: toyabe*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学大学院工学研究科?工学部 情報広報室
担当　沼澤 みどり
TEL: 022-795-5898
Email: eng-pr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）