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Taming the quantum noise : How quantum metrology can expand the reach of gravitational-wave observatories

M. Korobko

Published Aug 6, 2020• 1 citation
OpenAlex

Abstract

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.

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Generation of squeezed light with nanofiber-trapped atoms

Jakob Hinney

Ultra-dünne Glasfasern haben sich in den vergangenen Jahren als eine vielseitige Licht-Materie Schnittstelle erwiesen, bei der sich eine Fülle an nano-optischen Phänomenen mit guter experimenteller Handhabung verbinden. In diesem Zusammenhang wurde 2010 erstmals eine Dipolfalle für lasergekühlte Atome demonstriert, basierend auf dem evaneszenten Feld einer solchen Nanofaser. Seitdem wurde ein reichhaltiger Werkzeugkasten zur Kontrolle und Manipulation dieser faser-gefangenen Ensembles entwickelt. Insbesondere ermöglicht diese Schnittstelle Zu gang zu optischen Nichtlinearitäten welche sich auch noch auf dem Level einzelner Photonen auswirken. Dies warf die Frage nach der Realisierung nicht-klassischer Zustände auf, etwa von gequetschtem Licht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuer experimentel ler Aufbau zum Fangen von laser-gekühlten Cäsium-Atomen im evaneszenten Feld einer Nanofaser geschaffen. Im ersten Teil der Arbeit beschreibe ich die Planung und Konstruktion des Experimentes und weise experimentell nach, dass Atome gefangen werden. Der Aufbau beinhaltet eine Reihe technischer Verbesserungen im Vergleich zu bisherigen nanofaser-basierten Dipol fallen. Dazu zählen die Verwendung sogenanter magischer Wellenlängen, welche die spektrale Verbreiterung des gefangenen Ensembles reduzieren, verbesserter optischer Zugang dank der Verwendung einer Glass-Vakuumküvette, sowie ein transversal beweglicher Faserhalter zur Op timierung des Überlapps zwischen Atomwolke und der Taille der Nanofaser. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die experimentelle Beobachtung von gequetschtem Licht, welches durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern realisiert wird. Dazu weise ich das Squeezing nach und untersuche die Skalierung desselben bezüglich Leistung und Verstimmmung des Testfeldes. Zudem wird gezeigt, wie sich das Spektrum des aus der Faser austretenden Feldes qualitativ mit der Anzahl der gefangenen Atome ändert. Insbesondere wird nachgewiesen, dass bei ausreichender Atomzahl Seitenbänder im Spektrum erzeugt werden. Die Erzeugung von gequteschtem Licht beruht in den meisten Fällen auf einer starken Nichtlinearität, welche durch optische Resonatoren oder nicht-lineare Kristalle gewährleistet wird. Die vorliegende Arbeit weist jedoch nach, dass gequetschtes Licht auch durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern erzeugt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für nicht-lineare Licht-Materie Schnittstellen, welche einen elementaren Baustein für zukünftige Quantennetzwerke darstellen.

•Nov 1, 2019•0 citations

Quantum expander for gravitational-wave observatories

Mikhail Korobko, Yiqiu Ma, Yanbei Chen +1 more

The quantum uncertainty of laser light limits the sensitivity of gravitational-wave observatories. Over the past 30 years, techniques for squeezing the quantum uncertainty, as well as for enhancing gravitational-wave signals with optical resonators have been invented. Resonators, however, have finite linewidths, and the high signal frequencies that are produced during the highly scientifically interesting ring-down of astrophysical compact-binary mergers still cannot be resolved. Here, we propose a purely optical approach for expanding the detection bandwidth. It uses quantum uncertainty squeezing inside one of the optical resonators, compensating for the finite resonators' linewidths while keeping the low-frequency sensitivity unchanged. This quantum expander is intended to enhance the sensitivity of future gravitational-wave detectors, and we suggest the use of this new tool in other cavity-enhanced metrological experiments.

arXiv:1903.05930•Light Science & Applications•Dec 11, 2019•37 citations

Graphene nonlinearities for quantum computing

Irati Alonso Calafell

Die nachste grose technologische Revolution wird zweifelsfrei durch Entwicklungen in der Quantentechnologie eingeleitet werden. Um den erhofften Durchbruch von Quantencomputern zu ermoglichen, gibt es unterschiedliche physikalische Systeme und Herangehensweisen; von kalten Atomen und Ionen bis hin zu Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Obwohl sich diese unterschiedlichen physikalischen Strukturen sehr stark voneinander unterscheiden, haben alle ihre eigenen Vor- und Nachteile was das Rennen, welches System sich schlussendlich durchsetzen wird, zum jetzigen Zeitpunkt vollig offenlasst. Photonische Quantencomputer haben aufgrund der geringen Wechselwirkung zwischen Photonen und ihrer Umgebung, und den damit verbundenen langen Koharenzzeiten, das Potential, komplexe Quantenalgorithmen realisierbar zu machen. Schon jetzt werden Photonen in der Quanteninformationstechnologie genutzt, um Daten sicher, schnell und uber grose Distanzen hinweg ubertragen zu konnen. Andererseits ist genau diese schwache Wechselwirkung zwischen einem Photon und seiner Umgebung, und damit auch jene zwischen einzelnen Photonen selbst, das groste Hindernis fur photonische Quantencomputer; es fehlt bis heute an deterministischen Einzelphotonenquellen und Quantengattern. Diese Herausforderungen konnten jedoch durch den Einsatz von starken Nichtlinearitaten auf Einzelphotonenniveau uberwunden werden. In dieser Dissertation beschaftige ich mich sowohl mit deterministischen Einzelphotonenquellen als auch mit Quantengattern unter Ausnutzung der starken optischen Nichtlinearitat von Graphen. Ich zeige ein neues und universelles Quadratwurzel-SWAP-Gatter basierend auf Oberflachenplasmonen in Graphen-Nanobandern. Durch die starke Nichtlinearitat dieser Struktur ist die Absorption von zwei Plasmonen starker als jene eines einzelnen Plasmons; der damit einhergehende Zeno-Effekt verhindert, dass sich das System in Fehlerzustande des Gatters entwickelt. Unser vorgeschlagenes Gatter konnte uns durch dessen Erfolgswahrscheinlichkeit von 99% naher an ein deterministisches Quantengatter bringen, was unter anderem universelle und skalierbare Quanteninformationsverarbeitung ermoglichen wurde. Die starke zeitgleiche Absorption von zwei Plasmonen, welche diese Gatter benotigt, basiert auf Graphens starker Nichtlinearitat dritter Ordnung, die bisher zwar theoretisch vorausgesagt, aber experimentell noch nicht beobachtet wurde. In dieser Arbeit zeige ich unsere experimentelle Herangehensweise, um diesen Effekt dritter Ordnung durch die Kombination von Plasmonen in Graphen-Metall Heterostrukturen zu erforschen. Obwohl die von uns beobachtete Nichtlinearitat noch nicht stark genug ist, um nichtlineare Effekte auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, so haben wir trotzdem eine Steigerung des Signals dritter Ordnung um den Faktor 1500 gemessen und zusatzlich experimentelle Beweise fur die Existenz von Plasmonen in diesem Prozess gefunden. Dies zeigt eindeutig das Potential von Graphen, nichtlineare Effekte selbst auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, was wiederum deterministische Einzelphotonenquellen ermoglichen wurde. Zusatzlich zur Forschung mit Graphen, haben wir im Laufe meiner Dissertation ein kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll basierend auf dem Zeno Effekt realisiert. In diesem Protokoll trennen wir eine eigentliche Nachricht von dem Medium, das die Information tragt, sodass wir im Experiment Nachricht und Photonen als Informationstrager in unterschiedliche Richtungen schicken. Dieses Experiment wurde auf einer integrierten photonischen Plattform durchgefuhrt, deren Stabilitat und Durchstimmbarkeit das kontrafaktische Uberbringen einer Nachricht mit Einzelphotonen zwischen zwei Parteien ermoglichte. Die Bitfehlerrrate bei einer Nachrichtenubertragung zwischen Alice und Bob ist dabei kleiner als 1%.

•Jan 1, 2020•0 citations

Quantum metrology for accelerating future searches for fundamental physics including gravitational-wave observation

Gardner, James

Searches for fundamental physics such as gravitational waves, dark matter, and quantum gravity are now reaching the quantum limit around a century since the invention of quantum mechanics. To push past the fundamental quantum noise and accelerate the discovery of new physics, we need to understand and exploit the interplay of quantum information and quantum metrology. In this thesis, we advocate for a new perspective on the design of gravitational-wave interferometers and other precision waveform sensors, one centred on optimising the sensitivity through studying and manipulating the relevant quantum information-theoretic quantities with practical considerations for loss and classical noise. We demonstrate this approach with a series of papers proposing various measurement schemes, initial quantum states, and quantum control sequences to achieve the fundamental quantum limits of different waveform estimation problems. We suggest that the ultimate potential sensitivity of present experimental designs remains untapped: present in the capability of the device but not yet accessed. In particular, we show that a quantum advantage exists in sensing non-stationary or stochastic waveform signals or those with a wide range of possible frequencies. We discuss the implications of these results and how to realise them for future searches for fundamental physics.

•Jan 1, 2025•0 citations

Quantum experiments with spatial modes of photons in large real and Hilbert spaces

Mario Krenn

Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.

•Jan 1, 2017•0 citations

Quantum Measurement Theory in Gravitational-Wave Detectors

S. L. Danilishin, Farid Ya. Khalili

The fast progress in improving the sensitivity of the gravitational-wave detectors, we all have witnessed in the recent years, has propelled the scientific community to the point at which quantum behavior of such immense measurement devices as kilometer-long interferometers starts to matter. The time when their sensitivity will be mainly limited by the quantum noise of light is around the corner, and finding ways to reduce it will become a necessity. Therefore, the primary goal we pursued in this review was to familiarize a broad spectrum of readers with the theory of quantum measurements in the very form it finds application in the area of gravitational-wave detection. We focus on how quantum noise arises in gravitational-wave interferometers and what limitations it imposes on the achievable sensitivity. We start from the very basic concepts and gradually advance to the general linear quantum measurement theory and its application to the calculation of quantum noise in the contemporary and planned interferometric detectors of gravitational radiation of the first and second generation. Special attention is paid to the concept of the Standard Quantum Limit and the methods of its surmounting.

arXiv:1203.1706•Living Reviews in Relativity•Apr 26, 2012•203 citations
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.
Ultra-dünne Glasfasern haben sich in den vergangenen Jahren als eine vielseitige Licht-Materie Schnittstelle erwiesen, bei der sich eine Fülle an nano-optischen Phänomenen mit guter experimenteller Handhabung verbinden. In diesem Zusammenhang wurde 2010 erstmals eine Dipolfalle für lasergekühlte Atome demonstriert, basierend auf dem evaneszenten Feld einer solchen Nanofaser. Seitdem wurde ein reichhaltiger Werkzeugkasten zur Kontrolle und Manipulation dieser faser-gefangenen Ensembles entwickelt. Insbesondere ermöglicht diese Schnittstelle Zu gang zu optischen Nichtlinearitäten welche sich auch noch auf dem Level einzelner Photonen auswirken. Dies warf die Frage nach der Realisierung nicht-klassischer Zustände auf, etwa von gequetschtem Licht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuer experimentel ler Aufbau zum Fangen von laser-gekühlten Cäsium-Atomen im evaneszenten Feld einer Nanofaser geschaffen. Im ersten Teil der Arbeit beschreibe ich die Planung und Konstruktion des Experimentes und weise experimentell nach, dass Atome gefangen werden. Der Aufbau beinhaltet eine Reihe technischer Verbesserungen im Vergleich zu bisherigen nanofaser-basierten Dipol fallen. Dazu zählen die Verwendung sogenanter magischer Wellenlängen, welche die spektrale Verbreiterung des gefangenen Ensembles reduzieren, verbesserter optischer Zugang dank der Verwendung einer Glass-Vakuumküvette, sowie ein transversal beweglicher Faserhalter zur Op timierung des Überlapps zwischen Atomwolke und der Taille der Nanofaser. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die experimentelle Beobachtung von gequetschtem Licht, welches durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern realisiert wird. Dazu weise ich das Squeezing nach und untersuche die Skalierung desselben bezüglich Leistung und Verstimmmung des Testfeldes. Zudem wird gezeigt, wie sich das Spektrum des aus der Faser austretenden Feldes qualitativ mit der Anzahl der gefangenen Atome ändert. Insbesondere wird nachgewiesen, dass bei ausreichender Atomzahl Seitenbänder im Spektrum erzeugt werden. Die Erzeugung von gequteschtem Licht beruht in den meisten Fällen auf einer starken Nichtlinearität, welche durch optische Resonatoren oder nicht-lineare Kristalle gewährleistet wird. Die vorliegende Arbeit weist jedoch nach, dass gequetschtes Licht auch durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern erzeugt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für nicht-lineare Licht-Materie Schnittstellen, welche einen elementaren Baustein für zukünftige Quantennetzwerke darstellen.
The quantum uncertainty of laser light limits the sensitivity of gravitational-wave observatories. Over the past 30 years, techniques for squeezing the quantum uncertainty, as well as for enhancing gravitational-wave signals with optical resonators have been invented. Resonators, however, have finite linewidths, and the high signal frequencies that are produced during the highly scientifically interesting ring-down of astrophysical compact-binary mergers still cannot be resolved. Here, we propose a purely optical approach for expanding the detection bandwidth. It uses quantum uncertainty squeezing inside one of the optical resonators, compensating for the finite resonators' linewidths while keeping the low-frequency sensitivity unchanged. This quantum expander is intended to enhance the sensitivity of future gravitational-wave detectors, and we suggest the use of this new tool in other cavity-enhanced metrological experiments.
Die nachste grose technologische Revolution wird zweifelsfrei durch Entwicklungen in der Quantentechnologie eingeleitet werden. Um den erhofften Durchbruch von Quantencomputern zu ermoglichen, gibt es unterschiedliche physikalische Systeme und Herangehensweisen; von kalten Atomen und Ionen bis hin zu Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Obwohl sich diese unterschiedlichen physikalischen Strukturen sehr stark voneinander unterscheiden, haben alle ihre eigenen Vor- und Nachteile was das Rennen, welches System sich schlussendlich durchsetzen wird, zum jetzigen Zeitpunkt vollig offenlasst. Photonische Quantencomputer haben aufgrund der geringen Wechselwirkung zwischen Photonen und ihrer Umgebung, und den damit verbundenen langen Koharenzzeiten, das Potential, komplexe Quantenalgorithmen realisierbar zu machen. Schon jetzt werden Photonen in der Quanteninformationstechnologie genutzt, um Daten sicher, schnell und uber grose Distanzen hinweg ubertragen zu konnen. Andererseits ist genau diese schwache Wechselwirkung zwischen einem Photon und seiner Umgebung, und damit auch jene zwischen einzelnen Photonen selbst, das groste Hindernis fur photonische Quantencomputer; es fehlt bis heute an deterministischen Einzelphotonenquellen und Quantengattern. Diese Herausforderungen konnten jedoch durch den Einsatz von starken Nichtlinearitaten auf Einzelphotonenniveau uberwunden werden. In dieser Dissertation beschaftige ich mich sowohl mit deterministischen Einzelphotonenquellen als auch mit Quantengattern unter Ausnutzung der starken optischen Nichtlinearitat von Graphen. Ich zeige ein neues und universelles Quadratwurzel-SWAP-Gatter basierend auf Oberflachenplasmonen in Graphen-Nanobandern. Durch die starke Nichtlinearitat dieser Struktur ist die Absorption von zwei Plasmonen starker als jene eines einzelnen Plasmons; der damit einhergehende Zeno-Effekt verhindert, dass sich das System in Fehlerzustande des Gatters entwickelt. Unser vorgeschlagenes Gatter konnte uns durch dessen Erfolgswahrscheinlichkeit von 99% naher an ein deterministisches Quantengatter bringen, was unter anderem universelle und skalierbare Quanteninformationsverarbeitung ermoglichen wurde. Die starke zeitgleiche Absorption von zwei Plasmonen, welche diese Gatter benotigt, basiert auf Graphens starker Nichtlinearitat dritter Ordnung, die bisher zwar theoretisch vorausgesagt, aber experimentell noch nicht beobachtet wurde. In dieser Arbeit zeige ich unsere experimentelle Herangehensweise, um diesen Effekt dritter Ordnung durch die Kombination von Plasmonen in Graphen-Metall Heterostrukturen zu erforschen. Obwohl die von uns beobachtete Nichtlinearitat noch nicht stark genug ist, um nichtlineare Effekte auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, so haben wir trotzdem eine Steigerung des Signals dritter Ordnung um den Faktor 1500 gemessen und zusatzlich experimentelle Beweise fur die Existenz von Plasmonen in diesem Prozess gefunden. Dies zeigt eindeutig das Potential von Graphen, nichtlineare Effekte selbst auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, was wiederum deterministische Einzelphotonenquellen ermoglichen wurde. Zusatzlich zur Forschung mit Graphen, haben wir im Laufe meiner Dissertation ein kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll basierend auf dem Zeno Effekt realisiert. In diesem Protokoll trennen wir eine eigentliche Nachricht von dem Medium, das die Information tragt, sodass wir im Experiment Nachricht und Photonen als Informationstrager in unterschiedliche Richtungen schicken. Dieses Experiment wurde auf einer integrierten photonischen Plattform durchgefuhrt, deren Stabilitat und Durchstimmbarkeit das kontrafaktische Uberbringen einer Nachricht mit Einzelphotonen zwischen zwei Parteien ermoglichte. Die Bitfehlerrrate bei einer Nachrichtenubertragung zwischen Alice und Bob ist dabei kleiner als 1%.
Searches for fundamental physics such as gravitational waves, dark matter, and quantum gravity are now reaching the quantum limit around a century since the invention of quantum mechanics. To push past the fundamental quantum noise and accelerate the discovery of new physics, we need to understand and exploit the interplay of quantum information and quantum metrology. In this thesis, we advocate for a new perspective on the design of gravitational-wave interferometers and other precision waveform sensors, one centred on optimising the sensitivity through studying and manipulating the relevant quantum information-theoretic quantities with practical considerations for loss and classical noise. We demonstrate this approach with a series of papers proposing various measurement schemes, initial quantum states, and quantum control sequences to achieve the fundamental quantum limits of different waveform estimation problems. We suggest that the ultimate potential sensitivity of present experimental designs remains untapped: present in the capability of the device but not yet accessed. In particular, we show that a quantum advantage exists in sensing non-stationary or stochastic waveform signals or those with a wide range of possible frequencies. We discuss the implications of these results and how to realise them for future searches for fundamental physics.
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.
The fast progress in improving the sensitivity of the gravitational-wave detectors, we all have witnessed in the recent years, has propelled the scientific community to the point at which quantum behavior of such immense measurement devices as kilometer-long interferometers starts to matter. The time when their sensitivity will be mainly limited by the quantum noise of light is around the corner, and finding ways to reduce it will become a necessity. Therefore, the primary goal we pursued in this review was to familiarize a broad spectrum of readers with the theory of quantum measurements in the very form it finds application in the area of gravitational-wave detection. We focus on how quantum noise arises in gravitational-wave interferometers and what limitations it imposes on the achievable sensitivity. We start from the very basic concepts and gradually advance to the general linear quantum measurement theory and its application to the calculation of quantum noise in the contemporary and planned interferometric detectors of gravitational radiation of the first and second generation. Special attention is paid to the concept of the Standard Quantum Limit and the methods of its surmounting.