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title: "第一颗光子，挡住第二颗互动实验｜Sandbox Physics"
description: "进去一颗，下一颗就不再共振。 把激光调到原子与腔共同形成的共振。比较单光子阻塞、双光子共振和空腔；检查能级阶梯，采集反复制备后的光子数快照。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/single-atom-photon-blockade/"
last_modified: "2026-10-19"
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单原子光子阻塞 / 能级与计数

# 第一颗光子，挡住第二颗

把激光调到原子与腔共同形成的共振。比较单光子阻塞、双光子共振和空腔；检查能级阶梯，采集反复制备后的光子数快照。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

共振二能级原子与单腔模，求解零温 Lindblad 方程，以腔占据衰减率设定单位。理想独立腔内光子数读出不是透射光子的时间戳；条件输出关联是另列的模型预测。不含原子运动、多能级结构或装置标定。

一个受驱动腔，一颗量子发射体。

零延迟成对关联

$0$

腔内平均光子数

$0$

**01** 相干驱动

**02** 原子 / 腔

**03** 理想光子数读出

几何示意。驻波包络按平均占据的平方根缩放，原子亮度对应激发占据。光子数快照是理想独立态读出，不是飞行光子轨迹。

01 / 缀饰态阶梯

### 第一步合拍，第二步错开。

激光旋转系中的缀饰能级，金线为零能量。一激发或二激发能级过零，分别对应相应共振。线条加粗仅便于辨认，不表示谱线宽度。

$E_{n,\pm}/(\hbar\kappa)=-n\Delta/\kappa\pm(g/\kappa)\sqrt n$

02 / 一颗光子离开之后

### 下一颗多久才能跟上？

腔发射跳跃后的模型输出关联，由量子回归计算。Poisson 虚线基准为一。这不是从下方独立光子数快照重建的曲线。

$\kappa\tau\ \longrightarrow\quad g^{(2)}(\tau)$

重新制备，重复采集。

## 数出那些少见的双光子。

0 / 20000

每次重新制备受驱动稳态，再做理想腔内光子数读出。不代表连续光流、时间标记探测器或实时破坏性计数。罕见双光子需要很多次制备；没观察到不等于概率为零。

记录中多光子比例

$\text{—}$

95% Wilson 区间

$\text{—}$

模型多光子概率

$\text{—}$

稳态方程残差

$\text{—}$

### 欢迎单光子，双光子更少见。

金柱为记录的光子数频率，青线为求解的光子数分布，灰线为相同平均值的独立 Poisson 参考。所有计数都保留真空结果。纵轴采用平方根刻度突出罕见结果，刻度标注仍是概率。

最高光子数扇区 $0$

迹误差 $0$

最近 20 条记录 · 导出全部

| 试次 | 设置 | 光子数 |
| --- | --- | --- |

模型、约定与来源

原子与裸腔共振，失谐为激光频率减共振频率。腔占据衰减率为一，原子占据衰减率为 0.4。求解器保留零到十一光子，从真空演化 48 个腔衰减时间，再计算 12 个时间单位的输出回归。不裁剪或事后归一化。

$$
H/\hbar=-\Delta(a^\dagger a+\sigma_+\sigma_-)+g(a^\dagger\sigma_-+a\sigma_+)+\epsilon(a+a^\dagger)
$$

$$
\dot\rho=-i[H/\hbar,\rho]+\kappa\mathcal D[a]\rho+\gamma\mathcal D[\sigma_-]\rho
$$

$$
\mathcal D[L]\rho=L\rho L^\dagger-\tfrac12\{L^\dagger L,\rho\}
$$

$$
g^{(2)}(\tau)=\frac{\operatorname{Tr}[a^\dagger a\,e^{\mathcal L\tau}(a\rho_{\mathrm{ss}}a^\dagger)]}{\langle n\rangle_{\mathrm{ss}}^2}
$$

单二能级原子、旋波近似、经典相干驱动、Markov 真空库。2005 年实验还有更多原子能级和两种偏振；此页展示理想 Jaynes–Cummings 机制，不拟合该装置。腔内等时统计与无其他输入的真空损耗端口正规序输出统计一致，但独立快照不测量时间关联。

- [Birnbaum et al. — Theory of photon blockade, sections I–III (2005)](https://arxiv.org/html/quant-ph/0507065v1)
- [Birnbaum et al. — Photon blockade with one trapped atom (2005)](https://www.nature.com/articles/nature03804)
- [QuTiP — Two-time correlation functions and quantum regression](https://qutip.org/docs/4.7/guide/guide-correlation.html)

物理教程

## 第一颗光子，挡住第二颗

**背景** 把激光调到原子与腔共同形成的共振。比较单光子阻塞、双光子共振和空腔；检查能级阶梯，采集反复制备后的光子数快照。

**为什么值得理解** 用统计分清量子光与普通的明亮信号。

先抓重点

- **核心问题**: 进去一颗，下一颗就不再共振。
- **一句话直觉**: 不等间隔的激发阶梯，让第二颗光子错过第一颗的共振。

### 核心数学模型

#### 定量特征

$$
g^{(2)}(0)=\frac{\langle n(n-1)\rangle}{\langle n\rangle^2}
$$

分子计算有序光子对，不能用单次计数的平方替代。

### 常见难点

#### 说清能量来源

**容易误解** 原子是数小球的经典闸门。

**正确理解** 相干耦合改变能谱，激发与损耗共同求解。

#### 分清测量协议

**容易误解** 显示的理论曲线已经是采集证据。

**正确理解** 共振二能级原子与单腔模，求解零温 Lindblad 方程，以腔占据衰减率设定单位。理想独立腔内光子数读出不是透射光子的时间戳；条件输出关联是另列的模型预测。不含原子运动、多能级结构或装置标定。

### 动手实验

1. 01

   #### 先预测对照

   比较耦合原子与共振空腔。

   **应该观察到：** 空腔回到 Poisson 统计，原子改变成对概率。

2. 02

   #### 让效果失效

   在单光子与双光子共振之间调频。

   **应该观察到：** 平均输出很弱，也可能有很大的归一化成对关联。

3. 03

   #### 采集并检查

   采集、定格，改变一个参数后恢复，再导出每条 CSV 记录。

   **应该观察到：** 金色数据只来自保存的模拟记录，青色曲线是模型参考。

物理结论

共振二能级原子与单腔模，求解零温 Lindblad 方程，以腔占据衰减率设定单位。理想独立腔内光子数读出不是透射光子的时间戳；条件输出关联是另列的模型预测。不含原子运动、多能级结构或装置标定。

量子与场 · 入门路径

## 从一次测量开始

预测结果、采集计数，从一个量子比特走到波包、束缚态和双光子干涉。

[从这里开始 → **量子态与 Born 测量** 先预测一个概率，转动分析器，再与采集到的计数频率比较。 观察 · 15 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)

1. [1 量子态与 Born 测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)
2. [2 Stern–Gerlach 顺序测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/stern-gerlach-sequence/)
3. [3 波包传播与不确定性](https://sandboxphysics.com/zh/labs/wave-packet-uncertainty/)
4. [4 量子谐振子态工作台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-harmonic-oscillator/)
5. [5 路径标记与量子擦除](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-eraser/)
6. [6 Hong–Ou–Mandel 两光子干涉](https://sandboxphysics.com/zh/labs/hong-ou-mandel/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/quantum/#starter-path)