Koike, Tatsuhiko

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Affiliation

Faculty of Science and Technology, Department of Physics Theory Group ( Yagami )

Position

Assistant Professor/Senior Assistant Professor

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Scopus Paper Info  
Paper Count: 46 Citation Count: 1181 h-index: 16

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Career 【 Display / hide 】

  • 1993.04
    -
    1996.03

    Tokyo Institute of Technology, 物理学科, JSPS postdoctoral fellow

  • 1996.04
    -
    2006.03

    Department of Physics, Keio University, 物理学科, 助手

  • 2000.02
    -
    2001.03

    University of Maryland, JSPS postdoctoral fellow

  • 2007.04
    -
    2009.03

    Keio University, Department of Physics, Research Associate

  • 2009.04
    -
    Present

    Faculty of Science and Technology, Keio University, Department of Physics, Assistant Professor

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Academic Background 【 Display / hide 】

  • 1987.04
    -
    1991.03

    The University of Tokyo, Faculty of Science, Department of Physics

    University, Graduated

  • 1991.04
    -
    1993.03

    Tokyo Institute of Technology, Graduate School, Division of Science and Engineeri, 物理学

    Graduate School, Completed, Master's course

  • 1993.04
    -
    1996.03

    Tokyo Institute of Technology, Graduate School, Division of Science and Engineeri, 物理学

    Graduate School, Completed, Doctoral course

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Academic Degrees 【 Display / hide 】

  • 修士（理学）, Tokyo Institute of Technology, Coursework, 1993.03

    The Classification of Compact Homogeneous Universes

  • 博士（理学）, Tokyo Institute of Technology, Coursework, 1996.03

    Renormalization Group Analysis of Critical Phenomena in Gravitational Collapse

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Research Areas 【 Display / hide 】

  • Natural Science / Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics (Atomic/Molecular/Quantum Electronics, Plasma)

  • Natural Science / Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics (Elementary Particle/Atomic Nucleus/Cosmic Ray/Space Physics)

  • Informatics / Theory of informatics (Fundamental Informatics)

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Research Keywords 【 Display / hide 】

  • General relativity

  • Cosmology

  • Quantum information theory

  • Quantum mechanics

  • Quantum statistical mechanics

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Books 【 Display / hide 】

  • Singularities in Geometry and Topology

    KOIKE TATSUHIKO, European Mathematical Society, 2012

    Scope: 51-69

  • 爆発と凝集

    原隆, 古池達彦, 東京大学出版会, 2006.02

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Papers 【 Display / hide 】

  • Geometric deformations of symmetric spacetimes with a string cloud

    Hiroshi Kozaki, Satsuki Matsuno, Tatsuhiko Koike, Yoshiyuki Morisawa, and Hideki Ishihara

    Physical Review D (American Physical Society)  114   044058 2026.08

    Research paper (scientific journal), Joint Work, Accepted

    　View Summary

    We establish a deformation framework for highly symmetric solutions to the Einstein equations. In this framework, four-dimensional metrics are constructed from three-dimensional eta-Einstein metrics admitting a deformation locally determined by a single function. Under this deformation, the resulting spacetime solves the Einstein equations with a string-cloud source. Within this framework, a wide range of symmetric spacetimes can be treated in a unified manner. These include FLRW, Kantowski-Sachs, and LRS Bianchi cosmological models [including Taub-NUT-(A)dS solutions], as well as Reissner-Nordstrom-(A)dS black holes admitting spherical, planar, or hyperbolic symmetry. In the cosmological setting, the deformation leaves the evolution equations for the scale factors unchanged, and hence the expansion history coincides with that of the corresponding undeformed models. For the deformed Reissner-Nordstrom-(A)dS black holes, the structure of Killing horizons is insensitive to the deformation.

  • Timescale for Macroscopic Equilibration in Isolated Quantum Systems: A Rigorous Derivation for Free Fermions

    Hara T., Koike T.

    Physical Review Letters 137 ( 3 )  2026.07

    Last author, Corresponding author,  ISSN  00319007

    　View Summary

    For a class of translation-invariant free-fermion systems including those with uniform nearest-neighbor hopping) on a d-dimensional L×â »×L hypercubic lattice, we prove that, starting from an arbitrary pure initial state, the system equilibrates with respect to the coarse-grained density within a timescale of order L. This scaling is optimal, since there exist initial states whose equilibration requires time of order L. Our result establishes O(L) as the equilibration timescale, as is expected in normal macroscopic systems with a conserved quantity, such as total number of particles.

  • Spacetime constructed from a contact manifold with a degenerate metric

    Kozaki H., Ishihara H., Koike T., Morisawa Y.

    Physical Review D (American Physical Society (APS))  110 ( 10 )  2024.11

    ISSN  24700010

    　View Summary

    We construct a four-dimensional spacetime using a three-dimensional contact manifold equipped with a degenerate metric. The degenerate metric is set to be compatible with the contact structure. The compatibility condition is defined in this paper. Our construction yields a Ricci tensor of a particularly simple form, which leads to a solution of the Einstein equation with a null dust and cosmic strings. The solution includes two arbitrary functions: the energy density of the null dust and the number density of the cosmic strings. When there exist the cosmic strings, the spacetime is of Petrov type D. Otherwise, the spacetime is conformally flat. For some simple matter densities, we examine the Einstein equation in detail.

  • Nambu-Goto strings with a null symmetry and contact structure

    Hiroshi Kozaki, Tatsuhiko Koike, Yoshiyuki Morisawa and Hideki Ishihara

    Physical Review D (American Physical Society)  108 ( 8 ) 084069 2023.08

    Research paper (scientific journal), Joint Work, Accepted,  ISSN  24700010

    　View Summary

    We study the classical dynamics of the Nambu-Goto strings with a null symmetry in curved spacetimes admitting a null Killing vector field. The Nambu-Goto equation is reduced to first-order ordinary differential equations and is always integrable in contrast to the case of non-null symmetries where integrability requires additional spacetime symmetries. It is found that in the case of null symmetry, an almost contact structure associated with the metric dual 1-form η of the null Killing vector field emerges naturally. This structure determines the allowed class of string worldsheets in such a way that the tangent vector fields of the worldsheet lie in ker dη. In the special case that the almost contact structure becomes a contact structure, its Reeb vector field completely characterizes the worldsheet. We apply our formulation to the strings in the pp-waves, the Einstein static universe and the Gödel universe. We also study their worldsheet geometry in detail.

  • Quantum brachistochrone

    Tatsuhiko Koike

    Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Royal Society Publishing)  380 ( 2239 )  2022.12

    Lead author, Last author, Corresponding author,  ISSN  1364503X

    　View Summary

    Quantum brachistochrone (QB) is a quantum analogue of classical brachistochrone (shortest path). It is a solution to the following problem: How can we perform a desired quantum operation (or obtain a desired final quantum state) most quickly, by a time-dependent Hamiltonian subject to given constraints? Finding QB is a fundamental problem in quantum mechanics in its own right. Moreover, it will be useful in the study of quantum information and quantum engineering, such as quantum speed limits and implementations of quantum computers. A general framework for finding QBs, called QB formalism, has been developed. It is based on Pontryagin's maximum principle. We review the basics of the QB formalism, give simple examples, and briefly discuss some related studies. This article is part of the theme issue 'Shortcuts to adiabaticity: theoretical, experimental and interdisciplinary perspectives'.

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Presentations 【 Display / hide 】

  • Time-optimal unitary evolution and singular control

    Hiroaki Wakamura and Tatsuhiko Koike

    [International presentation]  Gordon Research Conference on Quantum control of Light and Matter (Coherent Control of Quantum Systems with Increasing Complexity) (Newport, USA) , 

    2019.08
    , 

    Poster presentation

  • Time-optimal unitary evolution and singular control

    Hiroaki Wakamura and Tatsuhiko Koike

    [International presentation]  Gordon Research Seminar on Quantum control of Light and Matter (Quantum Control and Its Applications Across Scientific Disciplines) (Newport, USA) , 

    2019.08
    , 

    Poster presentation

  • Optimal suppression of unital noise by quantum control before and after noise process

    Hiroaki Wakamura, Ryuitiro Kawakubo, and Tatsuhiko Koike

    [International presentation]  12th international workshop on Principles and Applications for Control of Quantum Systems, 

    2018.07
    , 

    Poster presentation

  • Planck’s constant and distinguishability of coherent states

    Ryuitiro Kawakubo and Tatsuhiko Koike

    [International presentation]  12th international workshop on Principles and Applications for Control of Quantum Systems, 

    2018.07
    , 

    Poster presentation

  • Integrability of cohomogeneity one string in AdS spacetime

    Yoshiyuki Morisawa, Soichi Hasegawa, Hideki Ishihara, and Tatsuhiko Koike

    [International presentation]  27th Workshop on General Relativity and Gravitation (JGRG27) (Hiroshima University) , 

    2017.12
    , 

    Oral presentation (general)

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Research Projects of Competitive Funds, etc. 【 Display / hide 】

  • 時間最適量子制御の基礎理論と特異制御に関する研究

    2020.04
    -
    2023.03

    MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, 古池 達彦, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Principal investigator

    　View Summary

    本課題研究の目的は量子系を素速く精確に制御する方法を明らかにすることである。制御とは系を所望の状態に保ったり変化させることを指す。量子系を自在 に制御するためには外場や測定の影響を理解する必要がある。特に、最適制御の研究は量子ダイナミクスの限界を明らかにするという基礎研究のみならず、情報処理への応用という面でも意義が大きい。例えば現在の量子計算機においては、量子状態が壊れてしまう前にできるだけ多くの計算を行うことをが必須である。 研究代表者は、従来から時間最適制御を変分原理により求める方法を開発してきた。それは「量子最速曲線法」と呼ばれている。昨年度は、時間最適量子制御に対する基礎理論を構築・確立した。与えられた制限下で所望の量子操作を最速に行う方法を求める理論である。これを、量子最 速曲線法を「ポントリャーギン最大値原理」という手法で拡張することで実現した。その結果、従来扱えなかった不等式拘束条件を扱えるようになり、理論および応用上遭遇するほぼ全ての状況に適用可能となった。
    本年度は、確立された理論を実際に応用すべく研究を継続中である。特に、我々の方法を用いれば既存の方法を越えた計算速度を実現可能であることを示すための研究を遂行中である。特に、本学量子計算センターで利用可能な量子計算機実機への具体的応用をシミュレート中である。一方、確立した量子最速曲線理論の周知および普及にも資するべく、理論を招待公演にて紹介し、国外専門誌において来年度出版予定の招待論文を執筆中である。コロナ禍で多少の遅れが生じているが、研究の基礎段階の遂行および若手の研究協力者の育成を進めることができた。

  • ブラックホールの観測的検証へ向けた光線および偏光の解析

    2012.04
    -
    2017.03

    日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 石原秀樹, 古池達彦, 基盤研究(C), No Setting

    　View Summary

    ブラックホールの周りに光源が分布するとき，ブラックホールによる光の吸収が「影」として観測されることが予想されている．ブラックホール周りの光の不安定円軌道により，対数的に光度が発散するような「明輪」の存在を示した．
    Kerr ブラックホールの回転が最大になるとき，ある種類の光の束縛軌道が地平面に漸近することを明らかにした．このとき，光線束の断面の歪みはゼロになることを明らかにした．
    波面がらせん状にねじれている「光渦」に対し，アイコナール近似により軌道の方程式を導いた．回転ブラックホールの周りの光渦は，ブラックホールの角運動量と光渦の間の相互作用により，測地線からずれることを明らかにした．

  • ブラックホールと量子情報

    2003.04
    -
    2007.03

    日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 細谷暁夫, 古池達彦, 基盤研究(C), No Setting

    　View Summary

    あたえられた標準的な初期状態から、目的の状態に最短時間で到達するための、(一般には時間に依存する)ハミルトニアンを、一定の制約の中で探す問題を考えた。これは、量子計算の回路の最適な構成、デバイスの最適な設計など実際的な問題であると同時に、一般的に量子系の制御の問題と捉えても興味深い。
    この問題を変分原理で定式化するときに、(1)状態変化はシュレーディンガー方程式に従うこと(2)ハミルトニアンは、自然法則からの制限、使えるエネルギーが限られていること、あるいは実験上の制約など、拘束条件が課せられていることを、ラグランジュ未定係数法により取り入れる。変数は、状態ベクトルとハミルトニアンの両方である。変分から、シュレーディンガー方程式と、量子最速方程式と名付けた普遍的な微分方程式が得られ、それらを解くことにより最適なハミルトニアンを得る。それにより、最速の量子状態時間発展を得る。いくつかの簡単な純粋状態の例で実証した(第1論文)。次に、これを初期状態によらない一般のユニタリー変換を最適化する問題に拡張し、量子計算に即した例で示した(第2論文)。さらに、これを混合状態の場合に拡張し、マスター方程式が成り立つ物理的状況(短時間のマルコフ過程の繰り返し)場合に同様の変分原理を定式化する。変分から、最適のハミルトニアンとリンドブラッド演算子が求まる。実例のスピン一個の系で興味深いことに、測定過程を用いて混合状態を経由する状態変化の方が速い場合がある。今後は、より現実的な終状態実現に誤差のある場合への拡張を行い、多キュービットの場合を数値的に解くことに進むが所定の目的は達したと考えている。

  • ブラックホール形成における臨界現象ー繰り込み群の重力系への応用

    1997.04
    -
    1999.03

    日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 古池達彦, 奨励研究(A), No Setting

    　View Summary

    繰り込み群の方法は偏微分方程式の長時間の振舞いを調べるのに有用である.今年度はこのうちGoldenfeld-大野流の繰り込み群について調べた.これの実際の有用性を明確にするためには数学的な一般論が必要である.まず,このために,一般の自然ハミルトン系について,繰り込み群方程式はいつもハミルトン系になることを示した.また、繰り込まれた解は近似の範囲で同等な解を与えることを示した.
    一方,理想流体の重力崩壊の臨界現象の以前からの研究において,Lyapunov解析を行うことにより臨界時空の不安定モードが唯一であることを示した部分,ユニバーサリティークラスの存在について示した部分を出版した.
    また,宇宙の平均化の問題について吟味した.その結果,提案されている平均化は空間の負曲率の部分を相対的に拡大し,正曲率の部分を相対的に縮小するようなものであるので,実際的ではないのではないかと結論した.

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Awards 【 Display / hide 】

  • Teshima Memorial Doctoral Thesis Award

    KOIKE TATSUHIKO, 1996.03, 手島工業教育資金団, Renormalization group analysis of critical behaviour in gravitational collapse

    Type of Award： Award from publisher, newspaper, foundation, etc.

  • Teshima Memorial Doctoral Thesis Award

    HKOIKE TATSUHIKO, HR, 1996.03, 手島工業教育資金団, Renormalization group analysis of critical behaviour in gravitational collapse

    Type of Award： Award from publisher, newspaper, foundation, etc.

  • Teshima Memorial Doctoral Thesis Award

    KOIKE TATSUHIKO, 1996.03, 手島工業教育資金団, Renormalization group analysis of critical behaviour in gravitational collapse

    Type of Award： Award from publisher, newspaper, foundation, etc.

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Courses Taught 【 Display / hide 】

  • GRADUATE RESEARCH ON FUNDAMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 1

    2026

  • PHYSICS EXERCISE 2

    2026

  • INDEPENDENT STUDY ON FUNDAMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY

    2026

  • PHYSICS C

    2026

  • GRADUATE RESEARCH ON MATHEMATICAL AND PHYSICAL SCIENCES 2

    2026

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Courses Previously Taught 【 Display / hide 】

  • DOCTORAL RESEARCH ON MATHEMATICAL AND PHYSICAL SCIENCES

    Keio University

    2026.04
    -
    2027.03

  • PRACTICAL PHYSICS RESEARCH ACTIVITIES B

    Keio University

    2026.04
    -
    2027.03

  • PRACTICAL PHYSICS RESEARCH ACTIVITIES C

    Keio University

    2026.04
    -
    2027.03

  • LITERATURE OF PHYSICS

    Keio University

    2026.04
    -
    2027.03

  • THEORY OF RELATIVITY

    Keio University

    2026.04
    -
    2027.03

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Memberships in Academic Societies 【 Display / hide 】

  • The Physical Society of Japan, 

    1991
    -
    Present

  • 日本物理学会新著紹介小委員会, 

    2007.11
    -
    2009.10

  • 理論天文学宇宙物理学懇談会, 

    1995
    -
    Present

  • 理論天文学宇宙物理学懇談会, 

    1995
    -
    Present

  • 素粒子論グループ, 

    1991
    -
    Present

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Committee Experiences 【 Display / hide 】

  • 2007.11
    -
    2009.10

    Committee Member, 日本物理学会新著紹介小委員会

  • 2007.11
    -
    2009.10

    委員, 日本物理学会新著紹介小委員会

  • 2007.11
    -
    2009.10

    Committee Member, 日本物理学会新著紹介小委員会

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