Multipartite entanglement in a non-Hermitian quadruple-well potential with synthetic gauge fields

Multipartite entanglement lies at the heart of quantum many-body physics and quantum information science, serving as a key resource for quantum computation, quantum simulation, and quantum metrology. While its behavior in Hermitian systems has been extensively studied, its fate in non-Hermitian systems, especially those with synthetic gauge fields, remains largely unexplored. In this work we investigate multipartite entanglement dynamics in a quadruple-well system under the influence of synthetic gauge fields and nonreciprocal coupling. By constructing a many-body Hamiltonian that incorporates synthetic gauge fluxes, interaction-induced nonlinearity, and parity-time (𝒫𝒯) symmetry-breaking terms, we reveal that the interplay between non-Hermiticity and gauge fields provides unprecedented control over entanglement structures and their evolution. Notably, the synthetic gauge field acts as a tunable switch for entanglement configurations, enabling transitions between separable, bipartite, tripartite, and globally entangled configurations. Furthermore, we uncover a striking odd-even effect of particle number on both&nbsp;𝒫𝒯-symmetry phase transitions and entanglement patterns, highlighting the role of particle-number parity in non-Hermitian many-body systems. These findings not only deepen our understanding of many-body quantum correlations in non-Hermitian systems but also open alternative avenues for designing entanglement-resolved quantum sensors and preparing topologically nontrivial many-body states in synthetic quantum platforms.

Physical Review A

2025

Atomic optical & lattice clocks

Bose-Einstein condensates

Coherent control

Cold gases in optical lattices

Dipolar gases

PT-symmetric quantum mechanics

Quantum optics

Synthetic gauge fields

Multipartite entanglement lies at the heart of quantum many-body physics and quantum information science, serving as a key resource for quantum computation, quantum simulat...

Изменяя поток синтетического поля, можно управляемо переводить систему из сепарабельного состояния в режимы двухчастичной, трёхчастичной или полной многочастичной запутанности.

Искусственное калибровочное поле служит точным переключателем запутанности

Совместное действие этих двух факторов открывает уникальные возможности для контроля динамики и структуры квантовых корреляций, недоступные в эрмитовых системах.

Взаимодействие неэрмитовости и калибровочного поля создаёт новые каналы управления

Свойства системы, включая точку PT-фазового перехода и тип устанавливающейся запутанности, критически зависят от того, чётное или нечётное количество частиц находится в ловушке.

Обнаружен чётно-нечётный эффект числа частиц

Результаты указывают на возможность создания квантовых сенсоров, различающих тип запутанности, и подготовки сложных топологических состояний в управляемых лабораторных системах.

Заложена основа для новых приложений

Многочастичная запутанность, будучи центральным понятием в физике квантовых многочастичных систем и квантовой информатике, является ключевым ресурсом для квантовых вычислений, квантового моделирования и квантовой метрологии. Хотя её свойства в эрмитовых системах были широко изучены, механизмы её поведения в неэрмитовых системах, особенно в системах с искусственными калибровочными полями, оставались практически не исследованы.Исследовательская группа построила многочастичный гамильтониан, включающий поток искусственного калибровочного поля, нелинейность, индуцированную взаимодействием, и члены, нарушающие чётно-временную (PT) симметрию, и исследовала динамику многочастичной запутанности в системе четырёх ям под действием искусственного калибровочного поля и невзаимной связи. Результаты показали, что взаимодействие между неэрмитовостью и калибровочным полем предоставляет беспрецедентные возможности для управления структурой запутанности и её эволюцией. Особо стоит отметить, что искусственное калибровочное поле может служить настраиваемым переключателем конфигурации запутанности, осуществляя переходы между сепарабельными состояниями, двухчастичной, трёхчастичной и глобальной запутанностью.Кроме того, группа выявила, что число частиц оказывает существенное чётно-нечётное влияние на PT-фазовый переход и режимы запутанности, что подчёркивает важную роль чётности числа частиц в неэрмитовых многочастичных системах. Эти открытия не только углубляют понимание многочастичных квантовых корреляций в неэрмитовых системах, но и открывают новые пути для создания квантовых сенсоров с разрешением по типу запутанности, а также для подготовки топологически нетривиальных многокубитных состояний на искусственных квантовых платформах.

Multipartite entanglement in a non-Hermitian quadruple-well potential with synthetic gauge fields

Authors

Yan-Qiong Ma

Ke-Wen Xiao

Cheng-Jie Wang

Wen-Yuan Wang

We recommend that you study