Utilisation d’états comprimés de la lumière pour la réduction du bruit quantique dans le détecteur d’ondes gravitationnelles Advanced Virgo Les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels, comme LIGO, Virgo et KAGRA, sont des interféromètres laser. Cette technique consiste à injecter un faisceau laser par un port d’entrée, qui est ensuite séparé dans deux bras de plusieurs kilomètres de long par un miroir semi-réfléchissant. Au bout de chaque bras, un miroir renvoie le faisceau vers le miroir semi-réfléchissant. Les deux faisceaux interfèrent alors et la puissance du faisceau résultant, mesuré au port de détection, contient l’information de la longueur relative des deux bras. Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse le détecteur, cette longueur relative varie au cours du temps. Plusieurs sources de bruits dégradent la qualité du signal enregistré, ce qui affecte le nombre d’ondes gravitationnelles observable. Actuellement, cette sensibilité est limitée par le bruit quantique à hautes fréquences.Une onde électromagnétique décrite par la mécanique quantique possède une amplitude classique à laquelle s’ajoute des fluctuations quantiques en amplitude et en phase. Un état avec une amplitude classique nulle est appelé état du vide, mais présente quand même ces fluctuations quantiques. Ainsi, dans le détecteur, bien qu’aucun faisceau lumineux ne soit introduit par le port de détection, l’état du vide est présent. Ce sont alors les fluctuations quantiques de cet état du vide qui sont responsables du bruit quantique de l’interféromètre. En particulier, les fluctuations en phase et en amplitude sont respectivement responsables du bruit quantique à hautes et à basses fréquences ; la séparation entre ces deux régions se situant à environ 100 Hz.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’injection d’états comprimés du vide dans le détecteur Virgo via le port de détection afin d’abaisser le bruit quantique. Ces états sont caractérisés par le fait d’avoir leurs fluctuations en phase (amplitude) réduites ce qui permet de diminuer le bruit quantique à haute (basse) fréquence. Comme le détecteur Virgo est actuellement uniquement limité par le bruit quantique à haute fréquence, seul des états comprimés du vide en phase ont été utilisés lors de la dernière période d’observation : O3. En amont, il a d’abord fallu s’assurer que ces états comprimés du vide avaient les paramètres géométriques et de phase par rapport au faisceau de l’interféromètre tels qu’ils ne soient pas dégradés. Des boucles de contrôles ont permis de maintenir ces paramètres à leurs valeurs nominales au cours d’O3, période longue d’une année. La diminution du bruit quantique à haute fréquence, mais aussi l’augmentation du bruit quantique à basse fréquence, ont pu être mesurées pour la première fois avec le détecteur Virgo. Ces observations ont été en accord avec les mesures des pertes qui affectent l’état comprimé du vide.A partir d’O4, le bruit quantique sera également limitant à basse fréquence. Il sera alors possible d’utiliser des états comprimés du vide ayant leurs fluctuations en amplitude réduites à basse fréquence et leurs fluctuations en phase réduites à haute fréquence. Ainsi, la totalité du bruit quantique peut être diminué. De tels états peuvent être générés en utilisant une cavité optique appelée cavité de filtrage. La seconde partie des travaux présentés dans cette thèse a consisté à définir les paramètres optiques de la cavité de filtrage qui sera installée sur Virgo pour O4. Pour cela, il a d’abord fallu étudier les sources de dégradations des états comprimés du vide. Cela a ensuite permis de définir la longueur de la cavité de filtrage et l’ensemble des paramètres des miroirs qui la composent. Finalement, l’implémentation de cette cavité de filtrage au sein de l’infrastructure de Virgo a été étudiée. Cela a permis de montrer que l’utilisation d’états comprimés permettra effectivement de réduire le bruit quantique sur tout le spectre de sensibilité de Virgo.
Utilisation d’états comprimés de la lumière pour la réduction du bruit quantique dans le détecteur d’ondes gravitationnelles Advanced Virgo Les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels, comme LIGO, Virgo et KAGRA, sont des interféromètres laser. Cette technique consiste à injecter un faisceau laser par un port d’entrée, qui est ensuite séparé dans deux bras de plusieurs kilomètres de long par un miroir semi-réfléchissant. Au bout de chaque bras, un miroir renvoie le faisceau vers le miroir semi-réfléchissant. Les deux faisceaux interfèrent alors et la puissance du faisceau résultant, mesuré au port de détection, contient l’information de la longueur relative des deux bras. Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse le détecteur, cette longueur relative varie au cours du temps. Plusieurs sources de bruits dégradent la qualité du signal enregistré, ce qui affecte le nombre d’ondes gravitationnelles observable. Actuellement, cette sensibilité est limitée par le bruit quantique à hautes fréquences.Une onde électromagnétique décrite par la mécanique quantique possède une amplitude classique à laquelle s’ajoute des fluctuations quantiques en amplitude et en phase. Un état avec une amplitude classique nulle est appelé état du vide, mais présente quand même ces fluctuations quantiques. Ainsi, dans le détecteur, bien qu’aucun faisceau lumineux ne soit introduit par le port de détection, l’état du vide est présent. Ce sont alors les fluctuations quantiques de cet état du vide qui sont responsables du bruit quantique de l’interféromètre. En particulier, les fluctuations en phase et en amplitude sont respectivement responsables du bruit quantique à hautes et à basses fréquences ; la séparation entre ces deux régions se situant à environ 100 Hz.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’injection d’états comprimés du vide dans le détecteur Virgo via le port de détection afin d’abaisser le bruit quantique. Ces états sont caractérisés par le fait d’avoir leurs fluctuations en phase (amplitude) réduites ce qui permet de diminuer le bruit quantique à haute (basse) fréquence. Comme le détecteur Virgo est actuellement uniquement limité par le bruit quantique à haute fréquence, seul des états comprimés du vide en phase ont été utilisés lors de la dernière période d’observation : O3. En amont, il a d’abord fallu s’assurer que ces états comprimés du vide avaient les paramètres géométriques et de phase par rapport au faisceau de l’interféromètre tels qu’ils ne soient pas dégradés. Des boucles de contrôles ont permis de maintenir ces paramètres à leurs valeurs nominales au cours d’O3, période longue d’une année. La diminution du bruit quantique à haute fréquence, mais aussi l’augmentation du bruit quantique à basse fréquence, ont pu être mesurées pour la première fois avec le détecteur Virgo. Ces observations ont été en accord avec les mesures des pertes qui affectent l’état comprimé du vide.A partir d’O4, le bruit quantique sera également limitant à basse fréquence. Il sera alors possible d’utiliser des états comprimés du vide ayant leurs fluctuations en amplitude réduites à basse fréquence et leurs fluctuations en phase réduites à haute fréquence. Ainsi, la totalité du bruit quantique peut être diminué. De tels états peuvent être générés en utilisant une cavité optique appelée cavité de filtrage. La seconde partie des travaux présentés dans cette thèse a consisté à définir les paramètres optiques de la cavité de filtrage qui sera installée sur Virgo pour O4. Pour cela, il a d’abord fallu étudier les sources de dégradations des états comprimés du vide. Cela a ensuite permis de définir la longueur de la cavité de filtrage et l’ensemble des paramètres des miroirs qui la composent. Finalement, l’implémentation de cette cavité de filtrage au sein de l’infrastructure de Virgo a été étudiée. Cela a permis de montrer que l’utilisation d’états comprimés permettra effectivement de réduire le bruit quantique sur tout le spectre de sensibilité de Virgo.
Développement des techniques de squeezing pour la réduction du bruit quantique dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles Le bruit quantique est une des limitations principales des détecteurs interférométriques d'ondes gravitationnelles, comme Virgo et LIGO. Réduire le bruit quantique a un impact direct sur la portée scientifique des futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). L'origine du bruit quantique réside dans la nature quantique de la lumière, et en particulier dans les fluctuations du vide qui entrent par la sortie de l'interféromètre. Actuellement, l'injection d'états de vide comprimé (squeezing indépendant de la fréquence) dans Virgo et LIGO permet de réduire le bruit quantique dans la bande spectrale de détection correspondante à une des deux composantes de ce bruit, le bruit de photons, ou shot noise, pour des fréquences supérieures à environ 100 Hz. La pression de radiation, l'autre composante, se manifeste quant à elle à de plus basses fréquences. Le shot noise émane de l'incertitude sur la phase tandis que la pression de radiation, de l'incertitude sur l'amplitude. Le principe d'incertitude d'Heisenberg impose que la réduction du shot noise grâce à l'injection d'états du vide comprimé sur la phase, se traduise nécessairement par une augmentation de la pression de radiation. Cet état comprimé peut être représenté par une ellipse, illustrant l'état comprimé du vide dans l'espace phase-amplitude, où les incertitudes sur la phase et l'amplitude sont inégales. Cependant, cet effet a commencé à dégrader la sensibilité des interféromètres Virgo et LIGO, durant la prise de données appelée O3. Afin de réduire le bruit quantique sur toute la bande spectrale de détection (et donc aussi à basse fréquence), il est nécessaire d'introduire dans l'interféromètre un squeezing dépendant de la fréquence, c'est-à-dire un état du vide comprimé, tantôt sur l'amplitude et tantôt sur la phase, permettant de réduire à la fois la pression de radiation et le shot noise. Pour Advanced Virgo+ et Advanced LIGO+ (les projets d'améliorations en cours, pour les détecteurs actuels, appelés Advanced Virgo et Advanced LIGO), l'ajout d'une cavité de filtrage quantique suspendue de 300 mètres et avec une très grande finesse, permettra de réaliser ce squeezing dépendant de la fréquence. Ma thèse porte sur le développement de techniques de squeezing pour la réduction du bruit quantique dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. J'ai d'abord contribué à un travail expérimental sur l'automatisation et l'amélioration d'une source de squeezing indépendant de la fréquence et situé sur le site de Virgo, à Pise. Ce travail préparatoire a été réalisé pour la conception d'un banc de démonstration pour l'étude d'une technique de squeezing dépendant de la fréquence, alternative à celle proposée ci-dessus et basée sur l'intrication quantique (de type Einstein-Podolsky-Rosen). Les fondements théoriques de ce squeezing EPR ayant été proposés en 2017, cette technique présente des avantages pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, notamment liés à l'absence de cavité de filtrage. Dans ce cadre, j'ai participé au design optique complet de cette expérience, qui pourra être implémentée sur le détecteur Virgo. J'ai conçu, réalisé et testé dans le laboratoire optique de l'APC, une cavité Fabry-Perot monolithique (de type étalon) nécessaire pour la séparation et la détection de deux faisceaux intriqués. Plus précisément, j'ai effectué des mesures de caractérisation optique et sur la stabilisation thermique de cette cavité, permettant de conclure sur les performances de cet étalon.
La construction de la premiere generation d’interferometres a ondes gravitationnelles est maintenant achevee et d’importants efforts internationaux portent sur leur perfectionnement pour les convertir en de veritables observatoires. Le bruit quantique sera une des principales limitations de ces instruments. Il a pour origine les fluctuations quantiques de phase et d’intensite de la lumiere laser utilisee. Ma these consiste en la realisation d’un modele numerique de ce bruit. Le code repose sur des modules elementaires quantiques permettant une application facile aux diverses configurations d’interferometre. Chaque module individuel decrit la transformation des fluctuations quantiques par l’element optique correspondant. Il existe sous deux representations : une representation de diffusion donnant acces au relation d’entree sortie et donc a la sensibilite et une representation de transfert utilise pour l’assemblage des elements individuels. Le code integre des operations canoniques comme le passage reciproque d’une representation a l’autre et l’algebre d’assemblage des elements optiques. Le code integre aussi l’estimation des bruits de perte d’origine egalement quantique et les bruits classiques. Il permet ainsi de determiner la sensibilite des interferometres de configuration semblable a VIRGO ou LIGO de tester diverses techniques de reduction du bruit quantique comme l’injection d’etats comprimes du champ ou la detection homodyne. Des effets de couplage entre les deux cavites constituant les bras de l’interferometre peuvent egalement etre utilises pour ameliorer la sensibilite autour de certaines frequences.
Dépasser la limite quantique standard pour le détecteur d’ondes gravitationnelles Advanced Virgo Dans le cadre de l'amélioration du détecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo, il est nécessaire de réduire la contribution du bruit quantique au bruit du détecteur afin d'augmenter la sensibilité et donc le volume d'Univers observable. Pour cela une des techniques envisagées afin de dépasser la Limite Quantique Standard est l'utilisation d'états comprimés de la lumière, dit états squeezés, dépendant de la fréquence. L'implémentation de cette technique est testée sur la plateforme expérimentale CALVA au LAL/IJCLab dans le cadre de l'ANR Exsqueez en collaboration avec le LKB, le LMA/IP2I et le LAPP. L'objet de cette thèse est la conception de l'expérience ainsi que l'installation et la caractérisation des premiers systèmes optiques utilisés pour générer et mesurer des états squeezés indépendants de la fréquence.
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.
Dans le cadre de l'amélioration du détecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo, il est nécessaire de réduire la contribution du bruit quantique au bruit du détecteur afin d'augmenter la sensibilité et donc le volume d'Univers observable. Pour cela une des techniques envisagées afin de dépasser la Limite Quantique Standard est l'utilisation d'états comprimés de la lumière, dit états squeezés, dépendant de la fréquence. L'implémentation de cette technique est testée sur la plateforme expérimentale CALVA au LAL/IJCLab dans le cadre de l'ANR Exsqueez en collaboration avec le LKB, le LMA/IP2I et le LAPP. L'objet de cette thèse est la conception de l'expérience ainsi que l'installation et la caractérisation des premiers systèmes optiques utilisés pour générer et mesurer des états squeezés indépendants de la fréquence.
Dans de nombreuses applications.les problèmes de stabilité de fréquence et d'intensité du rayonnement laser jouent un rôle cIlIcial.Le « bl\lit " incontrôlable de la source constitue en effet une limitation des performances du système.L'exemple tJ\trême en la matière est fourni par les détecteurs interférométriques de rayonnement gravitationnel (voir cours de C. Nary Man), où en raison de la faiblesse extrême du signal il mesurer, la fréquence et l'intensité de la source laser doivent atteindre une extraordinaire stabilite.Pour l'essentiel, le blllit dans les lasers est d'origine «technique ». c'est-a-dire qu'il est lié a des fluctuations difficilement maltrisables de divers paramètres du laser (longueur de la cavité, nombre d'éléments actifs dans l'amplificateur laser, taux de pompage ... ).Comme le montre le cours de C. Chardonnet, ces bruits peuvent être diminués, au prix de beaucoup de travail et d'astuces technologiques.Mais il est utile de savoir si ces effons sont appelés li se heuneT tÔt ou tard à des limites imposées par la physique même du processus, ou si on peut espérer faire tendre ces bruits vers zéro.L'objet de ce cours est d•exposer les idées de base sur les limites imposées par la mécanique quantique au bruit d'un faisceau laser.Nous commencerons par quelques rappels relatifs au bruit quantique d'un faisceau lumineux libre (section 1), puis nous Iraiterons des bruits quantiques dans l'amplification optique (section 2) et dans le laser (section 3).Nous terminerons dans la section 4 par une description des résultats experimentaux relatifs aliX «lasers sub-Poissoniens », c'est-à-dire ayant un bruit d'intensité inférieur au bruit de grenaille ou «shot noise ». 1. FLUCTUATIONS QUANTIQUES DE LA LUM IÈRE Nous rappelons ici brièvement les caractéristiques essentielles des fluctuations d'origine quantique du champ électromagnétique.On trouvera dans les références {1-41 un exposé beaucoup plus détaillé des propriétés quantiques de la lumière 1.1.Cu d'u n m od~ uniqu ~ d u cham p Considérons un mode du champ défini par sa fréquence (0, son vecteur d'onde k et sa polarisation supposée rectiligne 1: (un laser monomode peut être considéré comme émettant un tel mode, si on ne s'intéresse pas aux effets liés à la variation transverse d'intensité).