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Enhancing the astrophysical reach of present and future gravitational-wave detectors via quantum squeezing

F de Marco

Published Dec 10, 2025• 0 citations
OpenAlex

Abstract

L’astronomia delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra osservativa sull’universo, con un impatto scientifico inestimabile in un’ampia gamma di campi, tra cui l’astrofisica, la cosmologia, la fisica nucleare e la fisica fondamentale. La Collaborazione LIGO-Virgo- KAGRA gestisce quattro rivelatori terrestri di onde gravitazionali in tutto il mondo, che insieme hanno osservato centinaia di coalescenze di sistemi binari compatti, i quali coinvolgono principalmente buchi neri, ma anche stelle di neutroni. Tra questi eventi rientra GW170817, l’osservazione storica che ha segnato la nascita dell’astronomia multimessaggera. La rivelazione sperimentale delle onde gravitazionali avviene con interferometri di Michelson di lunghezza chilometrica, in cui la luce di un laser è utilizzata per monitorare la posizione relativa degli specchi, che costituiscono delle masse di prova in caduta libera. Questi strumenti sono in grado di misurare spostamenti degli specchi dell’ordine di 10^(−18) m o inferiori, nella banda di frequenze 10 Hz − 10 kHz. Tale straordinaria sensibilità fa sì che i rivelatori siano limitati dalle fluttuazioni quantistiche dei fotoni che viaggiano nell’interferometro, un fenomeno noto come rumore quantistico. Le incertezze quantistiche in ampiezza e fase di questi fotoni possono essere correlate tra loro, in modo da ridurre il rumore quantistico in una porzione della banda di rivelazione. Gli stati non classici della luce che implementano queste correlazioni sono definiti stati squeezed ("compressi", in inglese), e possono essere iniettati in una cavità lineare "di filtro", detta filter cavity, non risonante alla frequenza degli stati squeezed. Questo processo estende il miglioramento della sensibilità all’intera banda di rivelazione. Questa tesi esplora strategie sperimentali per la riduzione a banda larga del rumore quantistico nei rivelatori di onde gravitazionali attuali e futuri mediante l’uso di stati di luce squeezed. La prima parte del lavoro riguarda la caratterizzazione dell’efficienza del sistema di squeezing del rivelatore Advanced Virgo+, ossia l’attuale versione dell’esperimento Virgo, durante il run osservativo O4. L’analisi dell’impatto dello squeezing sulla varianza del rumore quantistico misurato ha rivelato un’efficienza di circa 40% ad alte frequenze (f ≳ 300 Hz), che cresce fino al 65% su tutta la banda, dopo aver sottratto le sorgenti classiche (ossia non quantistiche) di degradazione dello squeezing. Questo risultato è fondamentale per aumentare l’orizzonte osservativo di Virgo grazie al suo sistema di squeezing, e farà da base per i futuri miglioramenti dell’apparato sperimentale di riduzione del rumore quantistico. Guardando al futuro, i rivelatori di prossima generazione, come l’Einstein Telescope, saranno dotati di filter cavity di scala chilometrica. Una promettente strategia di squeezing, alternativa all’uso di cavità esterne, è basata sull’entanglement quantistico di tipo Einstein- Podolsky-Rosen (EPR). Un prototipo su banco ottico, volto a esplorare questo schema nella banda di frequenze utile ai rivelatori di onde gravitazionali, è in fase di sviluppo. Il duty cycle delle parti dell’apparato trattate in questa tesi ammonta al 95%. In parallelo, è stato sviluppato un codice di simulazione analitica per valutare l’effetto EPR sulla sensibilità dei futuri rivelatori e confrontarla con quella degli esperimenti attuali. L’obiettivo scientifico di questo duplice approccio è supportare le scelte sul design dei futuri sistemi di squeezing, inserendosi in una serie di esperimenti R&D in corso con lo scopo di massimizzare l’enorme potenziale dell’astronomia delle onde gravitazionali.

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Generazione di luce squeezed per l' interferometro Virgo

T. Comellato

Nel 1915 Albert Einstein Predisse l’esistenza di onde gravitazionali che muovono il tessuto dello spaziotempo. Esattamente 100 anni dopo si e arrivati alla prima rivelazione diretta. Il motivo per cui si e dovuto attendere cosi a lungo e che un’onda gravitazionale ha un’ampiezza infinitamente piccola. Per poterla misurare, sono stati messi a punto i due interferometri LIGO negli Stati Uniti ed e in via di conclusione l’interferometro VIRGO in Italia. Questi rivelatori sono (e saranno, nel caso di Virgo) in grado di misurare spostamenti inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico. Per una misura del genere, le fonti di rumore sono innumerevoli. Quella che finora ha limitato la sensibilita dei rivelatori ad alta frequenza e il rumore quantistico, conseguenza diretta del principio di indeterminazione di Heisemberg. Questa tesi si concentra sullo studio del rumore quantistico e sul metodo sperimentale che consente di ridurlo: l’iniezione di stati di vuoto squeezed. Per produrre uno stato di vuoto squeezed che sia stabile nel tempo, si adotta una catena di controlli automatici che nel complesso prende il nome di Coherent Control Loop. Il primo passo di tale catena e la realizzazione di sistemi di stabilizzazione di fase di un laser, denominati Phase Locked Loop, della realizzazione e ottimizzazione dei quali questi tesi si occupa. Il capitolo 1 tratta il segnale, il rivelatore e le fonti di rumore per una misura di onde gravitazionali, mentre in capitolo 2 si occupa della trattazione quantistica della luce, per la spiegazione di stati squeezed e del perche questi migliorino la sensibilita di un interferometro. Il capitolo 3 e dedicato alla realizzazione sperimentale di stati squeezed della luce. Il capitolo 4 contiene i fondamenti del Coherent Control Loop, per la generazione di stati squeezed stabili nel tempo e, infine, il capitolo 5 tratta la teoria e la realizzazione sperimentale di un Phase Locked Loop tra due laser. iii

•Apr 1, 2016•0 citations

Photons quantum interference induced by space-time curvature: a possible verification method based on a space platform

Piergiovanni Magnani

L’ obiettivo principale di questa ricerca di Dottorato e stato quello di discutere gli effetti gravitazionali sull’ interferenza tra gli stati di un unico fotone in casi nei quali la propagazione del fotone e su lunghe distanze (migliaia o decine di migliaia di chilometri) con notevoli variazioni della metrica di spazio-tempo (relativistica). In effetti la metrica modifica la coerenza di fase tra gli stati sovrapposti del fotone che si propagano su traiettorie con un diverso campo gravitazionale. Nascono quindi effetti interferometrici con frange e caratteristiche di visibilita che dipendono dalle specifiche condizioni. E stata quindi identificata una possibile configurazione sperimentale, basata su stazione di terra e su veicolo in orbita, potenzialmente in grado di evidenziare tali effetti di interferenza. In tale configurazione gli stati del fotone sono generati in sovrapposizione e poi ricomposti utilizzando ‘beam splitters’ configurati in accordo a interferometri tipo ‘Mach Zender’, uno previsto a terra e l’altro previsto a bordo del un veicolo spaziale. Alcune delle tecnologie principali sono quindi state discusse identificando gli aspetti peculiari che richiedono una attivita di sviluppo qualora l’ esperimento fosse realmente perseguito.

•Mar 12, 2020•0 citations

Comunicazione quantistica finalizzata alla realizzazione di chiavi in spazio libero

Davide Bacco

Questo lavoro di tesi e incentrato principalmente nelle tecniche avanzate di ottimizzazione per comunicazioni quantistiche, ed in generale applicazioni a regime di singolo fotone in spazio libero. Si tratta di un’attivita inserita nell’ambito di vari progetti che coinvolgono i dipartimenti di Ingegneria dell’Informazione e Astronomia dell’Universita degli Studi di Padova. Il lavoro svolto e introdotto da una sezione dedicata alla crittografia classica, seguita da una parte dedicata alla crittografia quantistica che ne illustra i concetti base e i principali protocolli. Si da inoltre particolare risalto alle tecnologie attualmente impiegate per l’implementazione di sistemi reali QKD (Quantum Key Distribution). In particolare verra descritto QuAKE: il sistema di crittografia quantistica basato su protocollo B92, le cui fasi di composizione e collaudo sono state svolte presso i laboratori LUXOR dell’Universita degli Studi di Padova. Si iniziera da una descrizione generale del sistema, in cui si espongono e analizzano le scelte progettuali per la realizzazione dell’apparato; in seguito si esporranno le soluzioni adottate per l’assemblaggio dell’ottica del trasmettitore e del ricevitore, andando a caratterizzare singolarmente tutti i componenti utilizzati nel sistema. Si illustrera in dettaglio la fase di montaggio di QuAKE, mettendo in rilievo le difficolta incontrate e le relative soluzioni adottate. Ampio risalto verra riservato ai test sperimentali effettuati. Verranno inoltre descritti con accuratezza tutti i software, proprietari e non, utilizzati, in modo da rendere questa tesi una guida utile per il setup completo del sistema. Alla fine si esporranno i risultati empirici ottenuti in laboratorio e i possibili sviluppi futuri

•Jul 12, 2011•0 citations

Study of an innovative scheme for frequency-dependent squeezing in third generation gravitational-wave detectors

P. Stevens

Etude d'un schéma innovant pour le squeezing dépendant de la fréquence des détecteurs d'ondes gravitationnelles de troisième génération L'astronomie gravitationnelle a profondément transformé notre compréhension de l'univers depuis la première détection de l'onde gravitationnelle GW150914, confirmant ainsi les prédictions d'Albert Einstein. Plus de 300 événements ont été observés par les interféromètres LIGO et Virgo, le détecteur KAGRA ayant rejoint la collaboration en 2019. Par ailleurs, les observations multi--messagers, telles que GW170817, offrent la possibilité d'étudier de manière plus complète les phénomènes astrophysiques. Ces succès sont le fruit de décennies d'efforts internationaux visant le développement de détecteurs d'ondes gravitationnelles interférométriques à l'échelle kilométrique, dont la sensibilité demeure notamment limitée par le bruit quantique, résultant des incertitudes quantiques des photons. Étant donné qu'il constitue l'une des sources de bruit dominantes, la réduction du bruit quantique apparaît essentielle, et l'emploi du squeezing dépendant de la fréquence permet d'en diminuer l'impact sur l'ensemble de la bande de détection grâce à des cavités à deux miroirs. Cette thèse s'intéresse aux propriétés optiques des cavités à trois miroirs en tant que moyen d'améliorer le squeezing dépendant de la fréquence dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles de troisième génération. Un modèle théorique de propagation du champ électromagnétique est développé afin d'étudier le phénomène de dédoublement de la fréquence de résonance. La stabilité de la cavité est ensuite analysée en fonction de sa configuration. De plus, l'équivalence entre une cavité à trois miroirs et une cavité à deux miroirs de finesse variable est présentée. Deux applications potentielles sont explorées pour Einstein Telescope : remplacer deux cavités à deux miroirs par une seule cavité à trois miroirs exploitant le dédoublement de résonance, ou substituer chaque cavité à deux miroirs par une cavité à trois miroirs afin de tirer parti du comportement de finesse variable. Des simulations sont réalisées pour évaluer la faisabilité, la possibilité de réglage ainsi que la sensibilité au contrôle de longueur et au désalignement, tandis qu'une implémentation expérimentale permet d'étudier les effets de dédoublement de résonance et de finesse variable.

•Dec 15, 2025•0 citations

Un generatore di pettine di frequenze per l’eccitazione di rivelatori di fotoni a bassa energia

Alessandro Iarocci, William Thorossian, Paolo Benedetti +1 more

Con il termine microKIDs (microwave Kinetic Inductance Detectors) si indicano rivelatori superconduttori, di fotoni a bassa energia (nell’intervallo dei meV). Un KID consiste in una sottile striscia di materiale superconduttore che, grazie alla sua geometria, forma un circuito risonante. I fotoni incidenti rompono le coppie di elettroni (coppie di Cooper) presenti sulla superficie del superconduttore, determinando una variazione dell’impedenza superficiale (in particolare dell’induttanza cinetica) del superconduttore. Questa variazione si traduce a sua volta in variazioni della frequenza di risonanza del rivelatore [Yates et al., 2009]. Tali rivelatori presentano un grosso potenziale nell’esplorazione del lontano infrarosso e della banda di lunghezza d’onda 10-1000µm: tali grandezze sono di fondamentale importanza in quanto contengono un gran numero di informazioni sull’evoluzione e la formazione delle galassie, delle stelle e dei sistemi planetari [Calvo et al., 2010]. Uno degli obiettivi dei moderni rivelatori nell’infrarosso lontano è quello di fornire un’immagine [Hollister et al., 2010]. Per questo è necessario costruire matrici di rivelatori (da diverse centinaia fino ad alcune migliaia). In questo i KIDs, in cui ogni elemento è identificato dalla propria frequenza di risonanza, sono molto vantaggiosi: un unico conduttore può trasportare la somma delle frequenze necessarie (una per risuonatore) e prelevare il segnale di risposta di tutti i risuonatori, permettendo di realizzare un rivelatore compatto. Minimizzare il numero di conduttori verso l’esterno è fondamentale a basse temperature, dove ogni conduttore rappresenta una fuga termica verso l’ambiente. Benché il progetto geometrico dei risuonatori identifichi rigorosamente le frequenze di risonanza, la loro realizzazione fisica introduce errori; sono errori piccoli (decine di kHz su 3 GHz) ma non possono essere accettati a causa dell’alto Q dei risuonatori (≈105). Per questo il pettine di frequenze deve essere adattato ad ogni singola matrice di rivelatori. Il requisito fondamentale del generatore delle frequenze di eccitazione sarà quello di consentire una facile sintonizzazione dei toni generati. Il lavoro qui presentato, che nasce dalla collaborazione tra l’LNTS (Laboratorio Nuove Tecnologie e Strumenti) dell’INGV e il Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma “La Sapienza”, descrive lo strumento realizzato per fornire il pettine di frequenze (nella banda 0 – 20 MHz), facendo riferimento ad un sistema sperimentale per otto risuonatori. In tale sistema il pettine di frequenze verrà traslato nella banda di frequenza dei KIDs (nell’ordine dei GHz) per poterne effettuare l’eccitazione e quindi riportato nella banda iniziale per effettuarne l’acquisizione e l’analisi.

Rapporti Tecnici INGV•Jan 1, 2012•0 citations

Squeezed light and laser interferometric gravitational wave detectors

S. Chelkowski

•Jan 1, 2007•5 citations
L’astronomia delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra osservativa sull’universo, con un impatto scientifico inestimabile in un’ampia gamma di campi, tra cui l’astrofisica, la cosmologia, la fisica nucleare e la fisica fondamentale. La Collaborazione LIGO-Virgo- KAGRA gestisce quattro rivelatori terrestri di onde gravitazionali in tutto il mondo, che insieme hanno osservato centinaia di coalescenze di sistemi binari compatti, i quali coinvolgono principalmente buchi neri, ma anche stelle di neutroni. Tra questi eventi rientra GW170817, l’osservazione storica che ha segnato la nascita dell’astronomia multimessaggera. La rivelazione sperimentale delle onde gravitazionali avviene con interferometri di Michelson di lunghezza chilometrica, in cui la luce di un laser è utilizzata per monitorare la posizione relativa degli specchi, che costituiscono delle masse di prova in caduta libera. Questi strumenti sono in grado di misurare spostamenti degli specchi dell’ordine di 10^(−18) m o inferiori, nella banda di frequenze 10 Hz − 10 kHz. Tale straordinaria sensibilità fa sì che i rivelatori siano limitati dalle fluttuazioni quantistiche dei fotoni che viaggiano nell’interferometro, un fenomeno noto come rumore quantistico. Le incertezze quantistiche in ampiezza e fase di questi fotoni possono essere correlate tra loro, in modo da ridurre il rumore quantistico in una porzione della banda di rivelazione. Gli stati non classici della luce che implementano queste correlazioni sono definiti stati squeezed ("compressi", in inglese), e possono essere iniettati in una cavità lineare "di filtro", detta filter cavity, non risonante alla frequenza degli stati squeezed. Questo processo estende il miglioramento della sensibilità all’intera banda di rivelazione. Questa tesi esplora strategie sperimentali per la riduzione a banda larga del rumore quantistico nei rivelatori di onde gravitazionali attuali e futuri mediante l’uso di stati di luce squeezed. La prima parte del lavoro riguarda la caratterizzazione dell’efficienza del sistema di squeezing del rivelatore Advanced Virgo+, ossia l’attuale versione dell’esperimento Virgo, durante il run osservativo O4. L’analisi dell’impatto dello squeezing sulla varianza del rumore quantistico misurato ha rivelato un’efficienza di circa 40% ad alte frequenze (f ≳ 300 Hz), che cresce fino al 65% su tutta la banda, dopo aver sottratto le sorgenti classiche (ossia non quantistiche) di degradazione dello squeezing. Questo risultato è fondamentale per aumentare l’orizzonte osservativo di Virgo grazie al suo sistema di squeezing, e farà da base per i futuri miglioramenti dell’apparato sperimentale di riduzione del rumore quantistico. Guardando al futuro, i rivelatori di prossima generazione, come l’Einstein Telescope, saranno dotati di filter cavity di scala chilometrica. Una promettente strategia di squeezing, alternativa all’uso di cavità esterne, è basata sull’entanglement quantistico di tipo Einstein- Podolsky-Rosen (EPR). Un prototipo su banco ottico, volto a esplorare questo schema nella banda di frequenze utile ai rivelatori di onde gravitazionali, è in fase di sviluppo. Il duty cycle delle parti dell’apparato trattate in questa tesi ammonta al 95%. In parallelo, è stato sviluppato un codice di simulazione analitica per valutare l’effetto EPR sulla sensibilità dei futuri rivelatori e confrontarla con quella degli esperimenti attuali. L’obiettivo scientifico di questo duplice approccio è supportare le scelte sul design dei futuri sistemi di squeezing, inserendosi in una serie di esperimenti R&D in corso con lo scopo di massimizzare l’enorme potenziale dell’astronomia delle onde gravitazionali.
Nel 1915 Albert Einstein Predisse l’esistenza di onde gravitazionali che muovono il tessuto dello spaziotempo. Esattamente 100 anni dopo si e arrivati alla prima rivelazione diretta. Il motivo per cui si e dovuto attendere cosi a lungo e che un’onda gravitazionale ha un’ampiezza infinitamente piccola. Per poterla misurare, sono stati messi a punto i due interferometri LIGO negli Stati Uniti ed e in via di conclusione l’interferometro VIRGO in Italia. Questi rivelatori sono (e saranno, nel caso di Virgo) in grado di misurare spostamenti inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico. Per una misura del genere, le fonti di rumore sono innumerevoli. Quella che finora ha limitato la sensibilita dei rivelatori ad alta frequenza e il rumore quantistico, conseguenza diretta del principio di indeterminazione di Heisemberg. Questa tesi si concentra sullo studio del rumore quantistico e sul metodo sperimentale che consente di ridurlo: l’iniezione di stati di vuoto squeezed. Per produrre uno stato di vuoto squeezed che sia stabile nel tempo, si adotta una catena di controlli automatici che nel complesso prende il nome di Coherent Control Loop. Il primo passo di tale catena e la realizzazione di sistemi di stabilizzazione di fase di un laser, denominati Phase Locked Loop, della realizzazione e ottimizzazione dei quali questi tesi si occupa. Il capitolo 1 tratta il segnale, il rivelatore e le fonti di rumore per una misura di onde gravitazionali, mentre in capitolo 2 si occupa della trattazione quantistica della luce, per la spiegazione di stati squeezed e del perche questi migliorino la sensibilita di un interferometro. Il capitolo 3 e dedicato alla realizzazione sperimentale di stati squeezed della luce. Il capitolo 4 contiene i fondamenti del Coherent Control Loop, per la generazione di stati squeezed stabili nel tempo e, infine, il capitolo 5 tratta la teoria e la realizzazione sperimentale di un Phase Locked Loop tra due laser. iii
L’ obiettivo principale di questa ricerca di Dottorato e stato quello di discutere gli effetti gravitazionali sull’ interferenza tra gli stati di un unico fotone in casi nei quali la propagazione del fotone e su lunghe distanze (migliaia o decine di migliaia di chilometri) con notevoli variazioni della metrica di spazio-tempo (relativistica). In effetti la metrica modifica la coerenza di fase tra gli stati sovrapposti del fotone che si propagano su traiettorie con un diverso campo gravitazionale. Nascono quindi effetti interferometrici con frange e caratteristiche di visibilita che dipendono dalle specifiche condizioni. E stata quindi identificata una possibile configurazione sperimentale, basata su stazione di terra e su veicolo in orbita, potenzialmente in grado di evidenziare tali effetti di interferenza. In tale configurazione gli stati del fotone sono generati in sovrapposizione e poi ricomposti utilizzando ‘beam splitters’ configurati in accordo a interferometri tipo ‘Mach Zender’, uno previsto a terra e l’altro previsto a bordo del un veicolo spaziale. Alcune delle tecnologie principali sono quindi state discusse identificando gli aspetti peculiari che richiedono una attivita di sviluppo qualora l’ esperimento fosse realmente perseguito.
Questo lavoro di tesi e incentrato principalmente nelle tecniche avanzate di ottimizzazione per comunicazioni quantistiche, ed in generale applicazioni a regime di singolo fotone in spazio libero. Si tratta di un’attivita inserita nell’ambito di vari progetti che coinvolgono i dipartimenti di Ingegneria dell’Informazione e Astronomia dell’Universita degli Studi di Padova. Il lavoro svolto e introdotto da una sezione dedicata alla crittografia classica, seguita da una parte dedicata alla crittografia quantistica che ne illustra i concetti base e i principali protocolli. Si da inoltre particolare risalto alle tecnologie attualmente impiegate per l’implementazione di sistemi reali QKD (Quantum Key Distribution). In particolare verra descritto QuAKE: il sistema di crittografia quantistica basato su protocollo B92, le cui fasi di composizione e collaudo sono state svolte presso i laboratori LUXOR dell’Universita degli Studi di Padova. Si iniziera da una descrizione generale del sistema, in cui si espongono e analizzano le scelte progettuali per la realizzazione dell’apparato; in seguito si esporranno le soluzioni adottate per l’assemblaggio dell’ottica del trasmettitore e del ricevitore, andando a caratterizzare singolarmente tutti i componenti utilizzati nel sistema. Si illustrera in dettaglio la fase di montaggio di QuAKE, mettendo in rilievo le difficolta incontrate e le relative soluzioni adottate. Ampio risalto verra riservato ai test sperimentali effettuati. Verranno inoltre descritti con accuratezza tutti i software, proprietari e non, utilizzati, in modo da rendere questa tesi una guida utile per il setup completo del sistema. Alla fine si esporranno i risultati empirici ottenuti in laboratorio e i possibili sviluppi futuri
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