論文の概要: Modeling Quantum Noise in Nanolasers using Markov Chains

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.13622v1
• Date: Mon, 17 Nov 2025 17:27:28 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-18 18:52:09.63914
• Title: Modeling Quantum Noise in Nanolasers using Markov Chains
• Title（参考訳）: マルコフ鎖を用いたナノレーザーの量子ノイズのモデル化
• Authors: Matias Bundgaard-Nielsen, Gian Luca Lippi, Jesper Mørk,
• Abstract要約: レーザ量子ノイズは、単純かつ直感的な速度方程式から始めることで、非常に幅広い種類のレーザーに対して定量的に計算できることを示す。 我々は、レーザーにおける量子ノイズの計算における様々なアプローチを広範囲に比較し、異なるシステムサイズに対する最良のアプローチを特定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The random nature of spontaneous emission leads to unavoidable fluctuations in a laser's output. This is often included through random Langevin forces in laser rate equations, but this approach falls short for nanolasers. In this paper, we show that the laser quantum noise can be quantitatively computed for a very broad class of lasers by starting from simple and intuitive rate equations and merely assuming that the number of photons and excited electrons only takes discrete values. The success of the model is explained by showing that it constitutes a Markov chain, which can be derived from the full master equations. We show that in the many-photon limit, the model simplifies to Langevin equations. We perform an extensive comparison of different approaches for computing quantum noise in lasers, identifying the best approach for different system sizes, ranging from nanolasers to macroscopic lasers, and different levels of excitation, i.e., cavity photon number. In particular, we find that the numerical solution to the Langevin equations is inaccurate below the laser threshold, while the laser Markov chain model, on the other hand, is accurate for all pump values and laser sizes when collective emitter effects are excluded.
• Abstract（参考訳）: 自然放出のランダムな性質は、レーザーの出力に避けられない変動をもたらす。 これはしばしばレーザー速度方程式におけるランダムランゲヴィン力によって含まれるが、このアプローチはナノレーザーでは不十分である。 本稿では, レーザ量子ノイズは, 単純かつ直感的な速度方程式から始まり, 光子数と励起電子数が離散値のみを仮定することによって, 非常に幅広い種類のレーザーに対して定量的に計算可能であることを示す。 モデルの成功は、完全マスター方程式から導出できるマルコフ連鎖を構成することを示すことによって説明される。 多光子極限において、モデルはランゲヴィン方程式に単純化されることを示す。 我々は、ナノレーザーからマクロレーザーまで、そして共振器光子数という異なるレベルの励起を含む、様々なシステムサイズに対する最良のアプローチを同定し、レーザーの量子ノイズを計算するための様々なアプローチを広範囲に比較する。 特に、ランゲヴィン方程式の数値解はレーザーしきい値以下では不正確であり、一方、レーザーマルコフ連鎖モデルは、集合エミッタ効果が排除されたときの全てのポンプ値とレーザーサイズに対して正確である。

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