单发射体激光器中的光子数区域映射

腔量子电动力学(cQED)架构已知可以从相干驱动的单量子发射体产生传统的激光特征。在本文中，我们对一个开放量子系统进行了数值分析，该系统由一个非相干泵浦的三能级发射体与单个腔模强耦合组成。我们特别关注在截断希尔伯特空间（维度高达$N=51$）内建模的三个腔光子数($n_p$)区域：深度量子区域($n_p \leq 1$)、中间量子区域($2 \leq n_p \leq 50$)和半经典区域($n_p \gg 50$)。我们研究了完全绕过相干驱动需求而进入激光区域的的光子阈值，揭示了激光行为可以从最小的光子布居中出现。例如，通过求解Lindblad主方程，我们发现激光在受激发射主导自发发射的中间量子区域中稳定。我们进一步在该区域观察到亚泊松光子统计，这通过甜甜圈状的Wigner分布、接近统一的二阶相干函数$g^{(2)}(0) \approx 1$以及最小化的Mandel $Q$参数得到证实。然而，在$10 < n_p < 50$范围内，我们观察到在较高非相干泵浦速率下相干性丧失，导致自猝灭。在半经典区域($n_p \gg 50$)中，在我们选择的系统参数的均场近似下处理，我们发现激光在非相干泵浦速率$\Gamma \approx 65$（以原子衰减率$\gamma_{12}$为单位）时猝灭。我们的发现可用于定义单发射体光源的工作极限，从而为纳米激光器和可扩展量子网络的发展提供有用的指导。