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量子相關性、混合態和激光起始時的雙穩態


核心概念
納米激光器中存在量子雙穩態,即一個穩定的非經典相干態和一個不穩定的相干態,這與半經典理論的預測不同。隨著發射器數量的增加,激光閾值逼近半經典理論的預測,但仍需要有限大小的擾動才能實現激光。
摘要

本文研究了包含所有二粒子量子相關性的單模激光器模型。與半經典模型的預測不同,我們發現激光發生在非激光態和非經典相干態之間的量子雙穩態中。相干態具有有限的線寬和中心頻率,並從鞍點-節點分岔中以有限振幅出現,這表明納米激光器的相干發射源於激光態和非激光態的混合。

在具有大量發射器和非共振模式的宏觀激光器中,激光閾值接近半經典理論的預測,但關鍵的是只有在有限大小擾動的情況下才能實現激光。

量子相關性對激光的動力學和光統計有重要影響,在納米激光器中比在宏觀激光器中更強。本文提出了一個包含所有二粒子量子相關性的模型,並與忽略這些相關性的半經典模型進行了比較。結果表明,量子相關性導致激光閾值和相干態的線寬增加,並引入量子雙穩態。隨著發射器數量的增加,這些效果逐漸減弱,但仍然存在。

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統計資料
激光閾值可由以下公式給出: rth = (Γn + Γg) / K * <c^†c>th / (1 - <c^†c>th) 其中 <c^†c>th 是半經典模型的閾值值, Γn = γnr + γnl, Γg = 2g^2(γ + γc)/[(γ + γc)^2 + Δν^2], K = 1 - Γg(2<c^†c>th - 1){N/2γc + (N - 1)/[2γ(1 + μ)]}.
引述
"納米激光器中存在量子雙穩態,即一個穩定的非經典相干態和一個不穩定的相干態,這與半經典理論的預測不同。" "隨著發射器數量的增加,激光閾值逼近半經classical理論的預測,但仍需要有限大小的擾動才能實現激光。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Francesco Pa... arxiv.org 10-02-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.00588.pdf
Quantum correlations, mixed states and bistability at the onset of lasing

深入探究

如何在實驗中觀測到納米激光器中的量子雙穩態?

在納米激光器中觀測量子雙穩態的關鍵在於利用光子統計學和干涉測量技術。具體而言,可以通過測量光子的第一階相關函數 ( g^{(1)}(\tau) ) 來識別激光器的相干性和量子態。當激光器的泵浦強度接近臨界值時,系統會顯示出雙穩態行為,這意味著存在穩定的激光發射狀態和不發射狀態之間的轉換。實驗中可以使用自相關函數測量技術,觀察到在不同的泵浦強度下,光子的發射統計會顯示出明顯的變化,從而證實量子雙穩態的存在。此外,通過調整環境參數(如溫度和散射效應),可以進一步探討量子相關性對雙穩態的影響,這些都能幫助研究者深入理解納米激光器的量子行為。

量子相關性對於宏觀激光器的性能有何影響,是否可以忽略?

量子相關性在宏觀激光器中的影響不容忽視,儘管在大規模系統中,經典的半經典理論通常能夠提供足夠的準確性。量子相關性,特別是光子-光子和電子-電子之間的相互作用,會影響激光的閾值、相干性和噪聲特性。儘管在宏觀激光器中,由於大量的腔模和內部發射體的存在,量子效應的影響可能會被平均化,但在某些情況下,例如在高增益或低溫環境下,這些量子效應仍然會顯著影響激光的性能。因此,對於高性能的激光器設計,尤其是在量子技術和納米技術的應用中,考慮量子相關性是至關重要的,不能簡單地忽略。

量子相關性在其他量子光學系統中的作用是什麼,對未來的量子技術有何啟示?

量子相關性在其他量子光學系統中扮演著重要角色,特別是在量子信息處理、量子通信和量子計算等領域。這些系統中的量子相關性可以導致非經典現象,如量子糾纏和量子隨機性,這些現象是實現量子技術的基礎。例如,在量子密鑰分發中,量子相關性可以用來保證通信的安全性;在量子計算中,量子比特之間的糾纏可以用來實現超越經典計算的性能。未來的量子技術將依賴於對量子相關性的深入理解和控制,這將促進新型量子設備的開發,如量子計算機、量子傳感器和量子網絡。因此,研究量子相關性不僅有助於理解基本的量子物理現象,還將推動量子技術的實際應用和商業化進程。
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