Taming the quantum noise : How quantum metrology can expand the reach of gravitational-wave observatories
M. Korobko
The dawn of gravitational-wave astronomy has begun in 2015 with the historic detection of a binary black hole merger. Several more detections followed in the years after. Among them, the detectors observed the inspiral of a neutron star binary. This merger was also observed in a broad spectrum of electromagnetic counterparts. This multi-messenger observation demonstrated that gravitational-wave astronomy is invaluable for understanding the Universe.
Current detectors, however, are able to see only a small part of binaries’ inspirals. A typical signal from an inspiral of a binary neutron star appears in the detector at low frequencies a few minutes before the merger. During the inspiral, the frequency of the signal increases, faster for higher frequencies. It quickly passes through the detection band of the observatory. The merger itself and post-merger oscillations often remain inaccessible due to the reduced sensitivity of the detector to high-frequency signals. An increase in the low-frequency sensitivity will allow to detect signals significantly earlier, extracting more information about the binary. This will allow to precisely locate the source on the sky for the follow-up multi-messenger observations. An increase in the high-frequency sensitivity will give a possibility to observe the merger and post-merger signals, gaining insight into the physics of ultra-dense quantum matter.
The limitations to the sensitivity arise from quantum nature of light used to sense the displacement of mirrors caused by gravitational waves. At low frequencies, quantum fluctuations in the amplitude of the light field cause random forces on the mirrors, which mask the signal from gravitational waves. At high frequencies, quantum fluctuations in the phase of the light field cause measurement noise on the detectors. The detectors use optical cavities to enhance the signal within the bandwidth of the cavities. At frequencies outside this bandwidth the signal is getting suppressed. Signals from the binary neutron star mergers typically have frequencies outside the detection bandwidth.
In this thesis I study the fundamental limitations on the sensitivity of detectors, in the quest of a broadband observatory. I discuss a speedmeter approach to increasing the low-frequency sensitivity, and propose two ways of achieving it: with quantum-entangled light, and in a novel ring cavity topology of the detector, which I test experimentally. I further study the fundamental limits arising from the finite bandwidth of the cavities, and demonstrate experimentally how this limit can be overcome. I propose a concept of quantum expander that allows to increase the detection bandwidth by using quantum correlations, generated directly inside the detector’s cavities. I investigate, how quantum correlations, controlled by internal squeezing, can help to tailor the sensitivity of the detector for the optimal performance at selected frequencies. Finally, I show that, although the benefit from application of squeezed light in metrology is limited by quantum decoherence, its impact on the sensitivity can be reduced by exploiting quantum correlations created with internal squeezing.
Quantum nature of light is a nuisance, which prevents us from seeing gravitational waves, but also a powerful tool, if properly applied. Quantum correlations hidden in the noise can be exploited for the benefit of the detectors, as I show in various scenarios throughout the thesis.
Quantum noise can be tamed, and not only in gravitational-wave detectors. All cavity-enhanced quantum metrological experiments can use quantum noise and underlying correlations as the resource for tailoring their sensitivity.
2015 begann mit der erstmaligen Beobachtung der Verschmelzung zweier schwarzer Locher das Zeitalter der Gravitationswellenastronomie. In den darauffolgenden Jahren gab es viele weitere Detektionen. Unter anderem wurde das Gravitationswellensignal der Verschmelzung zweier Neutronensterne detektiert. Parallel zur Messung der Gravitationswellen wurde auch das elektromagnetische Spektrum dieses Ereignisses beobachtet. Diese Multi-Messenger Beobachtung hat gezeigt, dass Gravitationswellenastronomie wesentlich fur das Verstandnis des Universums ist.
Aktuell kann jedoch nur eine kleine Zahl von astronomischen Ereignissen detektiert werden, denn die Signale sind typischerweise nur wenige Minuten vor der eigentlichen Verschmelzung messbar und haben dann sehr kleine Frequenzen. Solange sich die astronomischen Objekte umkreisen, erhoht sich die Signalfrequenz und zwar mit schneller werdender Rate hin zu hoheren Frequenzen. Auf diese Art und Weise durchlauft das Signal schnell das Detektionsband des Gravitationswellendetektors und die eigentliche Verschmelzung sowie darauffolgende Oszillationssignale konnen nicht beobachtet werden, weil die Sensitivitat der Detektoren bei den dafur notigen hoheren Frequenzen nicht ausreicht. Eine Erhohung der Sensitivitat bei kleinen Frequenzen wurde eine fruhere Detektion von Signalen ermoglichen, sodass mehr Informationen uber die astronomischen Objekte gewonnen werden konnen. Auserdem wurde die Signalquelle am Himmel prazise lokalisierbar, sodass Beobachtungen durch weitere Teleskope fruhzeitig beginnen konnten. Eine hohere Sensitivitat im hochfrequenten Bereich wurde es ermoglichen, auch die eigentliche Verschmelzung zu beobachten sowie Signale nach der Verschmelzung zu messen. Dadurch konnten neue Erkenntnisse zur Physik von ultradichter Quantenmaterie gewonnen werden.
Limitiert wird die Sensitivitat, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen, durch die Quanteneigenschaften des Laserlichts, welches genutzt wird, um die relativen Positionsanderungen von Spiegeln zu messen. Diese Anderungen werden durch Gravitationswellen hervorgerufen.
Bei kleinen Frequenzen sorgt die Amplitudenunscharfe des Lichts fur Schwankungen des auf die Spiegel wirkenden Strahlungsdrucks, wodurch das Gravitationswellensignal uberdeckt wird. Bei hohen Frequenzen koppelt durch die Phasenunscharfe des Lichts Rauschen in die Detektoren ein. In die Detektoren sind auserdem optische Resonatoren integriert, welche das Messsignal innerhalb der Resonatorbandbreite verstarken. Signale auserhalb der Bandbreite werden unterdruckt. Gravitationswellensignale von sich umkreisenden Neutronensternen haben in der Regel Frequenzen auserhalb dieser Detektionsbandbreite.
In dieser Arbeit befasse ich mich mit der Limitierung der Sensitivitat der Detektoren und zeige Wege auf, diese zu verbessern. Dafur diskutiere ich einen Detektor, welcher auf einer Geschwindigkeitsmessung basiert und zeige zwei Wege auf, um die Messgenauigkeit zu steigern: Zum einen mit quantenverschranktem Licht und zum anderen mit einem Umlaufresonator, also einer neuartigen Detektortopologie. Auserdem studiere ich die Sensitivitasbeschrankungen, welche durch die Resonatoren zur Signalverstarkung entstehen. Um diese Beschra nkungen zu reduzieren, schlage ich ein neuartiges Konzept vor, bei dem quantenkorreliertes Licht direkt in den Resonatoren erzeugt wird und so die Detektionsbandbreite erhoht. Ich untersuche, wie die durch internes squeezing kontrollierten Quantenkorrelationen dabei helfen konnen, die Empfindlichkeit des Detektors bei ausgewahlten Frequenzen zu optimieren. Dabei zeige ich, das der Einfluss von Dekoharenz auf durch Quetschlicht optimierte Sensitivitat durch die Nutzung von Quantenkorrelationen, die durch internes Squeezing erzeugt werden, reduziert werden kann.
Die Quantennatur des Lichts stellt ein fundamentales Limit fur die Sensitivitat der Gravitationswellendetektoren dar und verhindert die Beobachtung schwacher Signale. Sie kann aber auch als nutzliches Werkzeug eingesetzt werden, um durch Quantenkorrelationen schwa chste, im Rauschen versteckte Signale, sichtbar zu machen. Dies zeige ich fur unterschiedliche Szenarien in dieser Arbeit.
Nicht nur die Gravitationswellenastronomie kann von diesen Ansatzen profitieren. In allen Resonator gestutzten quantenmetrologischen Experimenten konnen Quantenkorrelationen genutzt werden, um die Messsensitivitat zu verbessern.
•Aug 6, 2020•1 citation