Développement des techniques de squeezing pour la réduction du bruit quantique dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles

Development of squeezing techniques for quantum noise reduction in gravitational-wave detectors

• Auteur / Autrice : Catherine Nguyen
• Direction : Matteo Barsuglia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 05/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sara Ducci
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matteo Barsuglia, Sara Ducci, Giancarlo Cella, Myriam Zerrad, Jean-Christophe Hamilton, Edwige Tournefier, Martina De Laurentis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giancarlo Cella, Myriam Zerrad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Résonateurs optiques

Intrication quantique

Ondes gravitationnelles

Mots clés libres

Détecteur d'ondes gravitationnelles

Squeezing

Advanced Virgo

Cavité Fabry-Pérot

Gravitational-Wave detector

Frequency-Dependent squeezing

Quantum entanglement

Advanced Virgo

Fabry-Pérot cavity

Optical resonator

Optics

Astrophysics

Résumé

Le bruit quantique est une des limitations principales des détecteurs interférométriques d'ondes gravitationnelles, comme Virgo et LIGO. Réduire le bruit quantique a un impact direct sur la portée scientifique des futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). L'origine du bruit quantique réside dans la nature quantique de la lumière, et en particulier dans les fluctuations du vide qui entrent par la sortie de l'interféromètre. Actuellement, l'injection d'états de vide comprimé (squeezing indépendant de la fréquence) dans Virgo et LIGO permet de réduire le bruit quantique dans la bande spectrale de détection correspondante à une des deux composantes de ce bruit, le bruit de photons, ou shot noise, pour des fréquences supérieures à environ 100 Hz. La pression de radiation, l'autre composante, se manifeste quant à elle à de plus basses fréquences. Le shot noise émane de l'incertitude sur la phase tandis que la pression de radiation, de l'incertitude sur l'amplitude. Le principe d'incertitude d'Heisenberg impose que la réduction du shot noise grâce à l'injection d'états du vide comprimé sur la phase, se traduise nécessairement par une augmentation de la pression de radiation. Cet état comprimé peut être représenté par une ellipse, illustrant l'état comprimé du vide dans l'espace phase-amplitude, où les incertitudes sur la phase et l'amplitude sont inégales. Cependant, cet effet a commencé à dégrader la sensibilité des interféromètres Virgo et LIGO, durant la prise de données appelée O3. Afin de réduire le bruit quantique sur toute la bande spectrale de détection (et donc aussi à basse fréquence), il est nécessaire d'introduire dans l'interféromètre un squeezing dépendant de la fréquence, c'est-à-dire un état du vide comprimé, tantôt sur l'amplitude et tantôt sur la phase, permettant de réduire à la fois la pression de radiation et le shot noise. Pour Advanced Virgo+ et Advanced LIGO+ (les projets d'améliorations en cours, pour les détecteurs actuels, appelés Advanced Virgo et Advanced LIGO), l'ajout d'une cavité de filtrage quantique suspendue de 300 mètres et avec une très grande finesse, permettra de réaliser ce squeezing dépendant de la fréquence. Ma thèse porte sur le développement de techniques de squeezing pour la réduction du bruit quantique dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. J'ai d'abord contribué à un travail expérimental sur l'automatisation et l'amélioration d'une source de squeezing indépendant de la fréquence et situé sur le site de Virgo, à Pise. Ce travail préparatoire a été réalisé pour la conception d'un banc de démonstration pour l'étude d'une technique de squeezing dépendant de la fréquence, alternative à celle proposée ci-dessus et basée sur l'intrication quantique (de type Einstein-Podolsky-Rosen). Les fondements théoriques de ce squeezing EPR ayant été proposés en 2017, cette technique présente des avantages pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, notamment liés à l'absence de cavité de filtrage. Dans ce cadre, j'ai participé au design optique complet de cette expérience, qui pourra être implémentée sur le détecteur Virgo. J'ai conçu, réalisé et testé dans le laboratoire optique de l'APC, une cavité Fabry-Perot monolithique (de type étalon) nécessaire pour la séparation et la détection de deux faisceaux intriqués. Plus précisément, j'ai effectué des mesures de caractérisation optique et sur la stabilisation thermique de cette cavité, permettant de conclure sur les performances de cet étalon.

Quantum noise is one of the main limitations for interferometric gravitational-wave (GW) detectors as Virgo and LIGO. Reducing quantum noise has a direct impact on the science reach of future GW detectors (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). Quantum noise originates from the quantum nature of light, especially from the vacuum fluctuations entering by the interferometer detection stage. The current injection of vacuum squeezed states (frequency-independent squeezing) into Virgo and LIGO leads to the quantum noise reduction in the spectral detection region corresponding to one of the two components of quantum noise. This so-called quantum shot noise is present at frequencies higher than 100 Hz. The other quantum noise component, the so-called quantum radiation pressure noise, manifests itself at lower frequencies. Shot noise arises from the uncertainty on the phase, while the latter arises from the uncertainty on the amplitude. Heisenberg's uncertainty principles induce that the shot noise reduction, thanks to the injection of vacuum squeezed states, results in a radiation pressure noise increase. This squeezed state of light can be depicted with an ellipse, representing the squeezed states in a phase-amplitude space, with inequal uncertainties for the phase and the amplitude. Nonetheless, during the data-taking period called O3, this subsequent noise increase started to degrade the Virgo and LIGO interferometers' sensitivities. To achieve a broadband reduction of quantum noise, it is necessary to inject a frequency-dependent squeezing inside the interferometer, i.e., injecting vacuum squeezed states in a frequency-dependent way, which will have a smaller uncertainty accordingly to the concerned quantum noise component. For the next upgrade of the current detectors Advanced Virgo and Advanced LIGO, called Advanced Virgo+ and Advanced LIGO+, frequency-dependent squeezing is obtained by adding a suspended 300-meter filter cavity, with very high finesse. My thesis engages in the development of squeezing techniques for quantum noise reduction in future GW detectors. First, I contributed to an experimental work based on the automation and the improvement of a frequency-independent squeezed vacuum source located on the Virgo site, at Pisa. This was a preparatory work for the conception of a table-top experiment to study a frequency-dependent squeezing technique, alternative compared to the one proposed previously and based on Einstein-Podolsky-Rosen entanglement. The theory being brought forward in 2017, this technique offers significant advantages for future GW detectors, due to the absence of an external cost-intensive filter cavity. In this framework, I participated to the realization of a complete optical design for this experimental demonstrator, that can be implemented into the detector Virgo. I designed, realized, and tested a monolithic Fabry-Perot cavity (a solid etalon), at the optical laboratory of APC, necessary for the separation and detection of two entangled beams. More precisely, this cavity was optically characterized and its thermal stabilization was evaluated, which allowed to check its performances.