Limites de sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles (OG)

Comme pour tous les détecteurs, la sensibilité des détecteurs d’ondes gravitationnelles est fortement impactée par le rapport signal/bruit. La réduction du bruit est donc un sujet central pour améliorer les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Parmi les principaux bruits actuellement présents dans Virgo, on remarque que :

  • Le bruit quantique domine aux hautes fréquences.

  • A basse fréquence, la contribution au bruit est multiple.

Au fur et à mesure que des améliorations sont apportées et que les divers bruits techniques sont réduits, la contribution du bruit quantique dans la courbe de sensibilité de Virgo ne fera qu’augmenter si aucune amélioration n’est apportée dans ce domaine.

Advanced Virgo design sensitivity with the major noises in the frequencies of interest.

Bruit quantique et état squeezé de la lumière

Le bruit quantique provient de la nature quantique de la lumière : les photons, quanta de lumière, suivent une distribution de Poisson pendant leur propagation ce qui affecte le détecteur d’ondes gravitationnelles.

Cet effet est principalement visible de deux façons, selon l’élément qui perçoit ce caractère aléatoire :

  • Le bruit de pression de radiation lors de l’interaction avec le miroir du bras de l’interféromètre : les photons poussent le miroir, ce qui modifie la longueur du bras.

  • Le bruit de grenaille lors de l’interaction avec le détecteur : le photodétecteur voit une variation du signal due au temps de vol aléatoire des photons.

Radiation pressure noise
Radiation pressure noise
Shot noise
Shot noise

Pour ces deux effets, le niveau de bruit dépend des paramètres du laser, notamment l’incertitude en amplitude (pour le bruit de pression de radiation) et l’incertitude en phase (pour le bruit de grenaille).

Si vous essayez de tracer l’état classique de la lumière laser dans le domaine Amplitude/Phase, vous obtiendrez un disque dont le diamètre indique l’incertitude de l’amplitude et de la phase de la lumière.

En utilisant la notation de ce graphique, la relation d’incertitude d’Heisenberg sera la suivante :

ΔA ΔΦ ≥ 1

Un état squeezé est un état particulier de la lumière où l’une des incertitudes (d’amplitude ou de phase) peut être améliorée (c’est-à-dire réduite), au prix d’une dégradation de l’autre incertitude (du fait de la relation d’incertitude d’Heisenberg).

Amplitude squeezing
Phase squeezing

Cela signifie qu’en utilisant ce type particulier d’états de la lumière, nous pouvons réduire l’un des deux bruits qui composent le bruit quantique au prix d’une augmentation de l’autre.

Une cavité optique supplémentaire permet d’introduire une transition entre squeezing d’amplitude et squeezing de phase autour d’une fréquence contrôlée, et que l’on adapte aux paramètres du détecteur d’ondes gravitationnelles de façon à réduire le bruit quantique sur toute la gamme de fréquences.

Squeezing à IJCLab

Le groupe Ondes Gravitationnelles de l’IJCLab est impliqué dans le squeezing pour l’amélioration des détecteurs d’ondes gravitationnelles, en collaboration avec Virgo. En particulier l’expérience CALVA/Exsqueez réalise des études sur le squeezing dépendant de la fréquence dans le vide.