論文の概要: Logarithmic Entanglement and Emergent Dipole Symmetry from a Strongly Coupled Light-Matter Quantum Circuit
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.18670v1
- Date: Mon, 20 Apr 2026 18:00:00 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-22 22:41:49.394918
- Title: Logarithmic Entanglement and Emergent Dipole Symmetry from a Strongly Coupled Light-Matter Quantum Circuit
- Title（参考訳）: 強結合光量子回路の対数エンタングルメントと創発的双極子対称性
- Authors: Luiz H. Santos,
- Abstract要約: 量子物質が非局所キャビティ光子モードに強く結合するハイブリッドシステムは、量子相関の制御と探索のための新しいフロンティアとして登場した。
我々はこの問題を,Power--Zienau--Woolley(PZW)変換をテキストライト・マッター量子回路として再解釈した,正確に解決可能なフレームワークによって解決する。
この枠組みを半充填したSu-Schrieffer-Heeger鎖に適用すると、強い結合において、光子状物質状態の光子絡み合いと空間絡み合いの両方がシステムサイズと対数的にスケールできることが分かる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Hybrid systems where a quantum material strongly couples to a nonlocal cavity photon mode have emerged as a new frontier for controlling and probing quantum correlations, yet the structure and scaling of light-matter entanglement produced by the nonlocal coupling remains poorly understood. We address this problem through an exactly solvable framework based on reinterpreting the Power--Zienau--Woolley (PZW) transformation as a \textit{light-matter quantum circuit} that couples the photonic position quadrature $X \sim a + a^\dagger$ to the many-body dipole $\mathcal{P}$ of a one-dimensional quantum chain. We derive a closed-form expression for the reduced density matrix valid at all coupling strengths, in which off-diagonal elements between matter states of unequal dipole are suppressed by a Gaussian factor encoding the full weak-to-ultrastrong coupling crossover. At weak coupling, the reduced density matrix takes a Lindbladian form with $\mathcal{P}$ as the jump operator, and the entanglement entropy is controlled by the dipole variance. At ultrastrong coupling, the density matrix becomes exactly block-diagonal in dipole sectors, reflecting an \textit{emergent dipole symmetry} dynamically imposed by the photon field, with entanglement entropy given exactly by the Shannon entropy of the dipole-sector weight distribution. Applying this framework to a half-filled Su--Schrieffer--Heeger chain, we show that, at strong coupling, both the light-matter entanglement and the spatial entanglement of the photon-dressed matter state scale logarithmically with system size, $S_\infty \sim \fracα{2}\log L$, robust across the SSH phase diagram. The logarithm originates from the photon resolving a single collective coordinate $\mathcal{P}$ whose fluctuations grow as $L^{α/2}$, a distinct mechanism from the logarithmic entanglement of critical one-dimensional systems.
- Abstract（参考訳）: 量子物質が非局所共役光子モードに強く結合するハイブリッド系は、量子相関を制御し、探索するための新たなフロンティアとして登場したが、非局所カップリングによって生じる光物質絡みの構造とスケーリングは理解されていない。
我々は、この問題を、Power--Zienau--Woolley (PZW)変換を1次元量子チェーンの多体双極子$\mathcal{P}$に、フォトニック位置乗法$X \sim a + a^\dagger$を結合する \textit{light-matter quantum circuit} として再解釈した、正確に解決可能なフレームワークによって解決する。
不等双極子の物質状態間の外対角要素が、完全な弱-超強結合クロスオーバーをコードするガウス因子によって抑制されるような、すべての結合強度で有効な還元密度行列に対する閉形式式を導出する。
弱結合において、還元密度行列はジャンプ作用素として$\mathcal{P}$のリンドブラディアン形式をとり、絡み合いエントロピーは双極子分散によって制御される。
超強結合において、密度行列は双極子セクターにおいて正確にブロック対角となり、光子場によって動的に課される「textit{emergent dipole symmetric}」を反映し、双極子セクターの重み分布のシャノンエントロピーによって正確にエントロピーが与えられる。
この枠組みを半充填のSu-Schrieffer-Heeger鎖に適用すると、強い結合において、光子状物質状態の光物質絡み合いと空間的絡み合いの両方が、システムサイズと対数的に対数的に、$S_\infty \sim \fracα{2}\log L$、SSH相図上で堅牢であることを示す。
対数の起源は、単一の集合座標 $\mathcal{P}$ を解き、その揺らぎは、臨界一次元系の対数的絡み合いとは異なるメカニズムである$L^{α/2}$として成長することである。
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