慶應義塾研究者情報データベース

経歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2007年04月

  -

  2009年08月

  理化学研究所, 物性理論研究室, 基礎科学特別研究員

• 2009年09月

  -

  2011年06月

  トロント大学, 物理学科, ポストドクトラル・フェロー

• 2011年07月

  -

  2012年08月

  東京大学, 大学院理学系研究科 物理学専攻, 特任研究員

• 2012年08月

  -

  2019年03月

  東京大学, 大学院理学系研究科 物理学専攻, 助教

• 2019年04月

  -

  2025年03月

  慶應義塾大学, 理工学部 物理学科, 専任講師

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学歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 1999年04月

  -

  2002年03月

  東京工業大学, 理学部, 物理学科

  大学, 飛び級

• 2002年04月

  -

  2004年03月

  東京工業大学, 理工学研究科, 物性物理学専攻

  大学院, 修了, 修士

• 2004年04月

  -

  2007年03月

  東京工業大学, 理工学研究科, 物性物理学専攻

  大学院, 修了, 博士後期

学位 【 表示 ／ 非表示 】

学位 【 表示 ／ 非表示 】

• 博士（理学）, 東京工業大学, 課程, 2007年03月

  Characterization of Exotic Orders in Quantum Spin Systems

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

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• 自然科学一般 / 数理物理、物性基礎

• 自然科学一般 / 半導体、光物性、原子物理

研究キーワード 【 表示 ／ 非表示 】

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• トポロジカル物性

• 冷却原子系

• 磁性

研究テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

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• スピン梯子系におけるトポロジカル相と秩序相の競合, 

  2022年07月

  -

  継続中

• 人工ゲージ場中のボース・アインシュタイン凝縮体における渦格子, 

  2017年01月

  -

  2022年05月

• 非エルミート量子多体系における量子臨界現象, 

  2015年12月

  -

  継続中

• 結合トライマー模型に基づくボルボサイトのフラストレート磁性の理論, 

  2015年03月

  -

  継続中

• 人工ゲージ場中の冷却原子系における量子ホール物理, 

  2011年07月

  -

  継続中

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

論文 【 表示 ／ 非表示 】

• High-Field Magnetism of the Spin-1/2 Two-Leg-Ladder Antiferromagnet Cu(DEP)Cl2 under High Pressure

  Morimoto T., Morikawa E., Nihongi K., Kida T., Narumi Y., Honda Z., Furukawa S., Uwatoko Y., Kindo K., Hagiwara M.

  Journal of the Physical Society of Japan 94 （ 2 ）  2025年02月

  ISSN  00319015

  　概要を見る

  We report the magnetic properties of powder samples of the two-leg-ladder antiferromagnet Cu(DEP)Cl2 (DEP: 2,3-diethylpyradine) measured in magnetic fields of up to 40 T under pressures (P) of up to 1.7 GPa. Measured magnetic properties (magnetic susceptibility and high-field magnetization with two transition fields) at ambient P are compared with those calculated by a quantum Monte Carlo method and are well explained by the two-leg-ladder antiferromagnetic model with large rung exchange interaction (Jrung). A peak of magnetic susceptibility shifts largely to a higher temperature with a significant decrease in height, and both transition fields shift largely to higher fields at a critical pressure Pc of approximately 0.2 GPa. The results of an evaluation of these exchange constants below and above Pc indicate that antiferromagnetic two-leg ladders (Jrung > Jleg) with a very weak Jint changed into strongly coupled (Jrung) antiferromagnetic dimers with weak Jleg and Jint

  • Access to Document (DOI)

• Phase Diagram of a Spin-1/2 Heisenberg Ladder with a Chirality–Chirality Interaction

  Fontaine M., Furukawa S.

  Journal of the Physical Society of Japan 93 （ 12 ）  2024年12月

  ISSN  00319015

  　概要を見る

  A spin-12 Heisenberg model with a chirality–chirality interaction (CCI) on a two-leg ladder provides a minimal setup to explore an interplay between spin and chirality degrees of freedom. This model is potentially relevant for understanding the effects of a four-spin ring exchange and a phonon-mediated interaction on a ladder. By applying the Abelian bosonization and two types of spin-chirality duality, we derive a comprehensive ground-state phase diagram that includes previously unexplored cases of a ferromagnetic rung exchange Jτ < 0 or a negative CCI Kch < 0. The phase diagram consists of the rung singlet (RS) phase, the Haldane phase, and three non-magnetic ordered phases. Moreover, the RS and Haldane phases consist of several regions with different dominant correlations in terms of spin, dimer, or chirality. We perform numerical simulations to confirm the predicted phase structure and critical properties.

  • Access to Document (DOI)

• System-environment entanglement phase transitions

  Ashida Y., Furukawa S., Oshikawa M.

  Physical Review B 110 （ 9 ）  2024年09月

  ISSN  24699950

  　概要を見る

  Entanglement in quantum many-body systems can exhibit universal phenomena governed by long-distance properties. We study universality and phase transitions of the entanglement inherent to open many-body systems, namely, the entanglement between a system of interest and its environment. Specifically, we consider the Tomonaga-Luttinger liquid (TLL) under a local measurement and analyze its unconditioned nonunitary evolution, where the measurement outcomes are averaged over. We quantify the system-environment entanglement by the Rényi entropy of the post-measurement density matrix, whose size-independent term encodes the universal low-energy physics. We develop a field-theoretical description to relate the universal term to the effective ground-state degeneracy known as the g function in a boundary conformal field theory, and use the renormalization group method to determine its value. We show that the universal contribution is determined by the TLL parameter K and can exhibit singularity signifying an entanglement phase transition. Surprisingly, in certain cases the size-independent contribution can increase as a function of the measurement strength in contrast to what is naïvely expected from the g-theorem. We argue that this unconventional behavior could be attributed to the dangerously irrelevant term which has been found in studies of the resistively shunted Josephson junction. We also check these results by numerical calculations in the spin-12 XXZ chain subject to a site-resolved measurement. Possible experimental realization in ultracold gases, which requires no postselections, is discussed.

  • Access to Document (DOI)

• Symmetry, topology, duality, chirality, and criticality in a spin-1/2 XXZ ladder with a four-spin interaction

  Fontaine M., Sugimoto K., Furukawa S.

  Physical Review B （American Physical Society）  109 （ 13 ） 134413 2024年04月

  研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  24699950

  　概要を見る

  We study the ground-state phase diagram of a spin-12 XXZ model with a chirality-chirality interaction (CCI) on a two-leg ladder. This model offers a minimal setup to study an interplay between spin and chirality degrees of freedom. The spin-chirality duality transformation allows us to relate the regimes of weak and strong CCIs. By applying the Abelian bosonization and the duality, we obtain a rich phase diagram that contains distinct gapped featureless and ordered phases. In particular, Néel and vector chiral orders appear for easy-axis anisotropy, while two distinct symmetry-protected topological (SPT) phases appear for easy-plane anisotropy. The two SPT phases can be viewed as twisted variants of the Haldane phase. We also present an effective description in terms of (spinor) hard-core bosons, which reveals critical behavior on the self-dual line in the easy-axis and easy-plane regimes. We perform numerical simulations to confirm the predicted phase structure and critical properties. We further demonstrate that the two SPT phases and a trivial phase are distinguished by topological indices in the presence of certain symmetries. A similar phase structure is expected in a spin-12 XXZ ladder with four-spin ring exchange.

  • Access to Document (DOI)

• Ground-state phase diagram of a spin-1/2 frustrated XXZ ladder

  Ogino T., Kaneko R., Morita S., Furukawa S.

  Physical Review B （American Physical Society）  106 （ 15 ） 155106 2022年10月

  研究論文（学術雑誌）, 共著, 査読有り,  ISSN  24699950

  　概要を見る

  We study the ground-state phase diagram of a spin-12 frustrated XXZ ladder, in which two antiferromagnetic chains are coupled by competing rung and diagonal interactions, J⊥ and J×. Previous studies on the isotropic model have revealed that a fluctuation-induced effective dimer attraction between the legs stabilizes the columnar dimer (CD) phase in the highly frustrated regime J⊥≈2J×, especially for ferromagnetic J⊥,×<0. By means of effective field theory and numerical analyses, we extend this analysis to the XXZ model, and we obtain a rich phase diagram. The diagram includes four gapped featureless phases with no symmetry breaking: the rung singlet (RS) and Haldane phases as well as their twisted variants, the RS∗ and Haldane∗ phases, which are all distinct in the presence of certain symmetries. Significantly, the Haldane-CD transition point in the isotropic model turns out to be a crossing point of two transition lines in the XXZ model, and the stripe Néel and RS∗ phases appear between these lines. This indicates a nontrivial interplay between the effective dimer attraction and the exchange anisotropy. In the easy-plane regime, the four featureless phases and two critical phases are found to compete in a complex manner depending on the signs of J⊥,×.

  • Access to Document (DOI)

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KOARA（リポジトリ）収録論文等 【 表示 ／ 非表示 】

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• 人工ゲージ場中のボース・アインシュタイン凝縮体における多体効果の理論的研究

  古川, 俊輔

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学）  2019年

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

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• エンタングルメント・エントロピーと共形場理論

  古川俊輔, 白石潤一

  日本物理学会誌 69 （ 8 ） 541 - 546 2014年

  記事・総説・解説・論説等（学術雑誌）, 共著

  • Access to Document (DOI)

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

• Symmetry-protected topological phases and entanglement swapping in spin-1/2 ladder systems

  古川俊輔

  高次にもつれた量子相探索の展開 （基礎物理学研究所、京都大学、京都） , 

  2025年09月

  , 

  口頭発表（一般）

  　概要を見る

  The concept of symmetry-protected topological (SPT) phases has been proposed and extensively developed over the past 15 years. While bosonic SPT phases in one spatial dimension is fully classified by projective representations of the symmetry group, it is interesting to examine when nontrivial SPT phases emerge and how they compete with conventional ordered phases in concrete physical systems. Here we explore this issue in spin-1/2 XXZ ladders with four-spin interactions. We find that weak XXZ anisotropy crucially affects the phase structure, inducing SPT phases in the easy-plane regime and magnetic and chiral ordered phases in the easy-axis regime. The SPT phases identified here can be regarded as twisted variants of the well-known Haldane phase, and are distinguished by topological indices linked to the system's symmetries. Motivated by the deepening interplay between quantum magnetism and quantum information, we further explore a many-body extension of the entanglement swapping protocol, in which entangled spin pairs are replaced by quantum phases of spin-1/2 ladders. We show that Bell measurements performed between legs of topological and trivial ladder states, followed by postselection of uniform outcomes, lead to the generation of a topological state on the unmeasured legs.

• Topological entanglement swapping in spin-ladder systems

  濱田瑞貴, 古川俊輔

  SQAI-NCTS Workshop on Quantum Technologies and Machine Learning （National Taiwan University, Taipei） , 

  2025年08月

  , 

  ポスター発表

  　概要を見る

  We study how quantum measurements can transform quantum phases in spin ladder systems through an entanglement swapping protocol. Consecutive Bell measurements are performed between the legs of two independent ladders, followed by uniform post-selection of the measurement outcomes. We analyze the resulting phase realized in the unmeasured outer legs.
  Our analysis is based on topological indices protected by the D_2=Z_2×Z_2 spin rotational symmetry as well as the lattice translation symmetry. We find that these indices remain unchanged through the measurement process, leading to a nontrivial inheritance rule. Namely, the output state is topological if only one of the ladders is initially topological, while it becomes trivial if both are.
  To illustrate this, we explicitly construct post-measurement states using matrix product states (MPS), in which the rung singlet (trivial) and Haldane (SPT) phases are represented by a product of singlets and a valence bond solid state, respectively. The MPS results are consistent with the index characterization and further reveal that the correlation length increases after measurement, indicating enhanced fluctuations.
  Finally, we perform a field-theoretical analysis using bosonization. By identifying the locking positions of bosonic fields associated with string order parameters, we determine the resulting phase and confirm consistency with both the index argument and MPS analysis., Interestingly, the post-measurement correlation length is approximately equal to the sum of those before measurement.

• スピン梯子系におけるトポロジカルエンタングルメントスワッピング

  濱田瑞貴, 古川俊輔

  第70回物性若手夏の学校 （白浜荘、滋賀） , 

  2025年07月

  -

  2025年08月

  , 

  ポスター発表

  　概要を見る

  近年、量子測定が量子多体系に与える影響に広く関心が集まっている。本研究ではその一例として、二つのスピン梯子系に対してエンタングルメントスワッピングを施し、測定後に実現される量子相の特定を試みる。具体的には、独立な二つのスピン梯子系の各脚にベル測定を行い、測定結果が一様となるよう事後選択を行った上で、直接測定を施していない梯子の脚に現れる状態が属する相を解析する。スピン梯子系は、トポロジカル相（Haldane 相）や自明相（rung singlet 相; RS 相）を実現するだけでなく、異方性や多体相互作用の導入によって多彩な相構造を示す。これらの相は局所的な秩序変数では検出できないが、特定の対称性を課している限り、トポロジカル指数を用いて区別することが可能である。本研究では、離散的なスピン回転対称性D2=Z2 X Z2 と並進対称性に保護された三つのトポロジカル指数に注目し、二系の合成系における指数が測定前後で不変であるという事実を基に、測定後の相の同定を行った。この議論は一般的であるが、測定後の状態の詳細が不明であるため、行列積状態（matrix product state; MPS）およびボソン化による具体的な解析も実施した。MPS を用いた解析では、Haldane 相の代表例であるvalence bond solid 状態がMPS で表現できることを利用し、測定後の状態を明示的に構成してトポロジカル指数を評価した。その結果は、トポロジカル指数のみに基づく一般的議論と整合的であり、さらに転送行列の解析を通じて、測定後の状態では相関長が増加する傾向も確認された。一方、ボソン化の枠組みでは、RS 相やHaldane 相などのギャップのある状態は、有効ハミルトニアン中のcos 項によってボソン場がロックされることに対応し、ロックされる場の種類や位置がストリング秩序変数と密接に関係することを用いた。ボソン化した有効ハミルトニアンの基底状態を求め、測定後の状態を計算し、ボソン場がロックされる位置を解析することで測定後に実現される相を特定した。ボソン化による結果も、トポロジカル指数やMPS を用いた解析と整合する。更に、測定後の状態の相関長が、測定前の各梯子の相関長の和で与えられることを解析的に導出し、MPS により観測された相関長の増加を説明した。

• Topological entanglement swapping in spin-ladder systems

  濱田瑞貴, 古川俊輔

  The 4th Young Researchers' Workshop of the Extreme Universe Collaboration （Kyukamura Irago, Aichi） , 

  2025年06月

  -

  2025年07月

  , 

  口頭発表（一般）

  　概要を見る

  We study how quantum measurements can transform quantum phases in spin ladder systems through an entanglement swapping protocol. Consecutive Bell measurements are performed between the legs of two independent ladders, followed by uniform post-selection of the measurement outcomes. We analyze the resulting phase realized in the unmeasured outer legs.
  Our analysis is based on topological indices protected by the D_2=Z_2×Z_2 spin rotational symmetry as well as the lattice translation symmetry. We find that these indices remain unchanged through the measurement process, leading to a nontrivial inheritance rule. Namely, the output state is topological if only one of the ladders is initially topological, while it becomes trivial if both are.
  To illustrate this, we explicitly construct post-measurement states using matrix product states (MPS), in which the rung singlet (trivial) and Haldane (SPT) phases are represented by a product of singlets and a valence bond solid state, respectively. The MPS results are consistent with the index characterization and further reveal that the correlation length increases after measurement, indicating enhanced fluctuations.
  Finally, we perform a field-theoretical analysis using bosonization. By identifying the locking positions of bosonic fields associated with string order parameters, we determine the resulting phase and confirm consistency with both the index argument and MPS analysis., Interestingly, the post-measurement correlation length is approximately equal to the sum of those before measurement.

• System-environment entanglement phase transitions for open boundary conditions

  Yuheng Sui, Shunsuke Furukawa

  The 4th Young Researchers' Workshop of the Extreme Universe Collaboration （Kyukamura Irago, Aichi） , 

  2025年06月

  -

  2025年07月

  , 

  口頭発表（一般）

  　概要を見る

  A quantum channel described by a CPTP map generally turns a pure quantum state into a mixed state, which can be viewed as development of system-environment entanglement. We study a phase transition in the system-environment Renyi entanglement entropy (EE) when the XXZ chain with open boundary conditions is subject to continuous density measurements. We show that the EE exhibits a volume law followed by a subleading logarithmic term; the coefficient of the latter changes from 0 to 1/4 as a function of the measurement strength. We also study the expectation value of a certain twist operator in the doubled Hilbert space formalism, that is expected to detect the phase transition. We compare our results with previous results for the periodic boundary condition as well as the boundary renormalization group analysis.

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競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

• 量子制御・量子もつれ・双対性に基づくトポロジカル相と相転移の研究

  2024年04月

  -

  2026年03月

  科学研究費助成事業, 古川 俊輔, 学術変革領域研究(A), 未設定

  　研究概要を見る

  液相から固相への転移が分子の自発的な秩序化として理解される一方、そのような秩序化では捉えられない奇妙な物質相としてトポロジカル相が知られ、量子磁性体や半導体などにおいて盛んに研究されている。本研究では、トポロジカル相研究の新しい舞台として、急速に技術革新の進む量子コンピュータに着目する。クラウド利用できる量子コンピュータを利用してトポロジカル状態をつくり出し、量子誤り軽減法によりノイズの影響を抑えたもとで非局所相関関数などの量子計算を行う。また、トポロジカル相に内在する量子もつれを量子情報の視点から特徴づける方法を発展させ、物性物理学と量子情報の融合領域の開拓を推進する。

• 人工ゲージ場中のボース・アインシュタイン凝縮体における多体効果の理論的研究

  2019年04月

  -

  2020年03月

  慶應義塾, 学事振興資金, 古川俊輔, 補助金,  研究代表者

• 対称性で多様化したトポロジカル相の基礎理論の構築と実現法の提案

  2018年04月

  -

  2024年03月

  文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 古川　俊輔, 基盤研究（Ｃ）, 補助金,  研究代表者

• 光格子中のボース・アインシュタイン凝縮体における位相フラストレーション

  2016年11月

  -

  2019年03月

  松尾学術研究助成金, 古川俊輔, 補助金,  研究代表者

• 強相関冷却原子系におけるトポロジカル秩序の探索とその基礎理論の構築

  2013年04月

  -

  2017年03月

  東京大学, 古川 俊輔, 若手研究(B), 未設定

  　研究概要を見る

  トポロジカル秩序状態は、量子化された応答や分数統計に従う準粒子などの興味深い性質を示すことが知られる。本研究では、操作性の高い冷却原子系で実現可能な新奇トポロジカル秩序状態の理論的探索、その諸性質の解明に取り組んだ。特に、人工ゲージ場中の二成分ボース気体の基底状態相図を詳細に決定し、特異な端状態を持つボソン版整数量子ホール状態の存在、時間反転対称性の相互作用効果への非自明な役割を明らかにした。また、光格子中のBose-Einstein凝縮体の励起バンドが非自明なトポロジーを獲得しうること、それに起因する端状態が巨視的量子干渉により観測できることを示した。

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

• 第2回強磁場フォーラムフロンティア奨励賞

  古川俊輔, 2020年12月, 強磁場フォーラム, 強磁性・反強磁性相互作用の競合する量子磁性体の理論的研究

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

  　説明を見る

  http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/labs/mgsl/himag-forum/frontier.html

• 第7回日本物理学会領域11若手奨励賞

  古川俊輔, 2013年03月, 日本物理学会, 量子多体系におけるエンタングルメント・エントロピーの研究

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

  　説明を見る

  https://www.jps.or.jp/activities/awards/jusyosya/wakate2013.html#r11
  http://www.r11.div.jps.or.jp/wakate07.html
  https://ss.scphys.kyoto-u.ac.jp/TQP/achievements/newsletters.html#no3

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

• 熱力学

  2025年度

• 統計物理学Ｂ

  2025年度

• 物理学セミナー第４

  2025年度

• 物理学Ｂ

  2025年度

• 学外実習

  2025年度

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所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

• 日本物理学会, 

  2004年01月

  -

  継続中

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

• 2022年04月

  -

  2023年03月

  新著紹介小委員会 委員長（兼 会誌編集委員）, 日本物理学会

• 2021年04月

  -

  2022年03月

  新著紹介小委員会 委員, 日本物理学会

• 2020年04月

  -

  2021年03月

  領域３（磁性）運営委員, 日本物理学会