Optomécanique et lumière comprimée

Optomechanics and Squeezed light

• Auteur / Autrice : Michaël Croquette
• Direction : Pierre-François Cohadon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Emily Lamour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Degallaix, Sara Ducci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kamel Bencheikh, Ludovic Bellon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de grenaille

Bruit thermique

Résonateurs optiques

Interférométrie

États comprimés (optique)

Optomécanique

Mots clés libres

Optomécanique

Lumière comprimée

Limite quantique standard

Cavité de grande Finesse

Interferométrie

Bruit thermique

Bruit de grenaille quantique

Résonateur de grand facteur de Qualité

Bruit de pression de radiation quantique

Optomechanics

Squeezing

Standard quantum Limit

High-Finesse cavity

Interferometry

Thermal Noise

Quantum Shot Noise

High-Q Resonator

Quantum Radiation Pressure Noise

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude des bruits fondamentaux qui limitent la sensibilité des mesures interférométriques de position d'un résonateur optomécanique de haut facteur de qualité mécanique, couplé dans un environnement cryogénique à une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons d'abord étudié le bruit thermique du résonateur et l'avons réduit pour nous approcher de l'état quantique fondamental d'un résonateur mécanique macroscopique. Nous présentons nos résultats expérimentaux, obtenus avec deux géométries différentes de résonateurs, en détaillant leurs avantages et inconvénients respectifs. Dans un deuxième temps, nous étudions les sources de bruit liées à la nature quantique de la lumière. Ces deux bruits, le bruit quantique de phase et celui de pression de radiation, sont les limites les plus fondamentales aux mesures interférométriques de position, et limitent déjà la sensibilité des interféromètres gravitationnels sur une large plage de fonctionnement. Nous présentons tout d’abord le développement d'une source de lumière comprimée, optimisée pour sonder les déplacements d’un oscillateur mécanique résonnant dans la gamme du MHz. Cette source réduit aujourd’hui le bruit quantique d’un facteur 2. Nous présentons ensuite succinctement le développement d’une source optimisée pour un interféromètre gravitationnel, pour des fréquences inférieures à quelques kHz. Enfin nous présentons la conception et la réalisation d'une nouvelle géométrie de cavité fibrée cryogénique, couplée au mouvement d'une membrane nanométrique de SiN, qui permettra d'observer le bruit quantique de pression de radiation et de mettre en évidence l’effet de la lumière comprimée sur la mesure.

This thesis investigates the fundamental noise that limits the sensitivity of interferometric position measurements of a high mechanical quality factor optomechanical resonator coupled in a cryogenic environment to a high finesse Fabry-Perot cavity. We first studied the thermal noise of the resonator and reduced it to approach the fundamental quantum state of a macroscopic mechanical resonator. We present our experimental results, obtained with two different resonator geometries, detailing their respective advantages and disadvantages. In a second step, we study the sources of noise related to the quantum nature of light. These two noises, the quantum phase noise and the radiation pressure noise, are the most fundamental limits to interferometric position measurements, and already limit the sensitivity of gravitational interferometers over a wide operating range. We first present the development of a compressed light source, optimised to probe the displacements of a resonant mechanical oscillator in the MHz range. This source now reduces the quantum noise by a factor of 2. We then briefly present the development of an optimised source for a gravitational interferometer, for frequencies below a few kHz. Finally, we present the design and implementation of a new cryogenic fibre cavity geometry, coupled to the movement of a nanometric SiN membrane, which will allow us to observe the radiation pressure quantum noise and to highlight the effect of compressed light on the measurement.