論文の概要: Mapping photon-number regimes in single-emitter lasers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.31239v1
- Date: Tue, 30 Jun 2026 07:10:49 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-07-03 15:56:55.557719
- Title: Mapping photon-number regimes in single-emitter lasers
- Title（参考訳）: 単一エミッタレーザーにおける光子数レシエーションのマッピング
- Abstract要約: 本研究では, 単一キャビティモードに強く結合した非整合励起三レベルエミッタからなるオープン量子系の数値解析を行った。
レーザーの挙動は、最小の光子集団から生じる可能性がある。
本研究は, 単一光源の動作限界の定義に応用できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 41.99844472131922
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Cavity quantum electrodynamics (cQED) architectures are known to produce traditional laser signatures from a coherently driven single quantum emitter. In this paper, we present a numerical analysis of an open quantum system consisting of an incoherently pumped three-level emitter strongly coupled to a single cavity mode. In particular, we focus on three cavity photon-number ($n_p$) regimes modeled within a truncated Hilbert space of dimension up to $N=51$: deep quantum ($n_p \leq 1$), intermediate quantum ($2 \leq n_p \leq 50$), and semi-classical ($n_p \gg 50$). We investigate the photon threshold for entering the lasing regime while completely bypassing the requirement for a coherent drive, revealing that laser behavior can emerge from minimal photon populations. For example, by solving the Lindblad master equation, we find that lasing stabilizes in the intermediate quantum regime where stimulated emission dominates spontaneous emission. We further observe sub-Poissonian photon statistics in this regime, as confirmed by a donut-like Wigner distribution, near-unity second-order coherence function $g^{(2)}(0) \approx 1$, and a minimized Mandel $Q$-parameter. However, within the range $10 < n_p < 50$, we observe a loss of coherence at higher incoherent pumping rates, leading to self-quenching. In the semi-classical regime ($n_p \gg 50$), treated under a mean-field approximation for our choice of system parameters, we find that the laser quenches at an incoherent pumping rate of $Γ\approx 65$ (in units of the atomic decay rate $γ_{12}$). Our findings can be applied to define the operational limits of single-emitter light sources, thereby providing useful guidelines for the development of nanolasers and scalable quantum networks.
- Abstract（参考訳）: Cavity Quant Electrodynamics (cQED) アーキテクチャは、コヒーレントに駆動される単一量子エミッタから従来のレーザーシグネチャを生成することが知られている。
本稿では,単一キャビティモードに強く結合した非整合励起三レベルエミッタからなるオープン量子系の数値解析を行う。
特に、3つの空洞光子数(n_p$)レギュレーションに焦点をあて、次元がN=51$:ディープ量子(n_p \leq 1$)、中間量子(2 \leq n_p \leq 50$)、半古典的(n_p \gg 50$)である。
レーザーの動作が最小限の光子集団から現れることを明らかにし,光子状態に入るための光子閾値を,コヒーレントドライブの要求を完全に回避しながら検討した。
例えば、リンドブラッド・マスター方程式を解くことで、励起放出が自然放出を支配する中間量子状態においてラシングが安定化することが分かる。
さらに、ドーナツのようなウィグナー分布、準ユニティな2階コヒーレンス関数 $g^{(2)}(0) \approx 1$、最小化されたマンデル $Q$-parameter によって確認されるように、この体制におけるサブポアソン光子統計を観察する。
しかし,10<n_p < 50$の範囲では,コヒーレンスを高い非コヒーレントポンピング速度で失うことが観察され,セルフクレンチングに繋がった。
系パラメータの選択に対する平均場近似の下で処理された半古典的状態(n_p \gg 50$)において、レーザークエンチは、不整合ポンプレートが$\approx 65$(原子崩壊速度$γ_{12}$の単位)であることがわかった。
本研究は, 単一エミッタ光源の動作限界の定義に応用でき, ナノレーザーとスケーラブル量子ネットワークの開発に有用なガイドラインを提供する。
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