Avec leurs collègues de la Vierge, les chercheurs de l'AEI Harald Lück, Moritz Mehmet, et Henning Vahlbruch installent la source lumineuse pressée, qui a été développé à Hanovre, dans une salle blanche du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo. Crédit :H. Lück/B. Institut Knispel/Max Planck de physique gravitationnelle
La mécanique quantique ne décrit pas seulement comment le monde fonctionne à ses plus petites échelles, mais affecte également le mouvement des objets macroscopiques. Une équipe de recherche internationale, dont quatre scientifiques du MPI for Gravitational Physics (Albert-Einstein-Institut/AEI) et de l'Université Leibniz de Hanovre, Allemagne, a montré comment ils peuvent influencer le mouvement des miroirs, pesant chacun plus de 40 kg, dans le détecteur d'ondes gravitationnelles Advanced Virgo grâce à l'utilisation délibérée de la mécanique quantique. Au cœur de leur expérience publiée aujourd'hui dans Lettres d'examen physique est une source de lumière comprimée, développé et construit à l'AEI à Hanovre, qui génère un rayonnement laser spécialement réglé et améliore la sensibilité de mesure du détecteur pendant les courses d'observation.
Le monde des probabilités et des incertitudes de la mécanique quantique régit également le comportement des détecteurs d'ondes gravitationnelles de taille kilométrique Advanced LIGO, Vierge avancée, et GEO600. La sensibilité de ces instruments de haute précision aux ondes gravitationnelles—causées, par exemple, par des fusions lointaines de trous noirs - est actuellement limitée par le bruit de fond de la mécanique quantique.
L'incertitude de Heisenberg limite les détecteurs
Dans les détecteurs, la lumière laser est utilisée pour mesurer avec la plus grande précision la position relative des miroirs à des kilomètres l'un de l'autre. Même en l'absence de signaux d'ondes gravitationnelles ou de sources de bruit, ces mesures de position de miroir montreraient une légère gigue.
La raison en est le principe d'incertitude de Heisenberg. Selon cette pierre angulaire de la mécanique quantique, les mesures simultanées de deux quantités liées sont impossibles avec une précision arbitraire ; ils sont flous, ou incertain. Cependant, l'imprécision de mesure de l'une des deux quantités peut être réduite, mais seulement au prix d'une plus grande imprécision lors de la mesure de l'autre quantité.
Dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, le bruit de grenaille - le bruit des particules lumineuses arrivant de manière aléatoire et irrégulière - est généralement réduit. Cette astuce est nécessaire car ce bruit de fond de mécanique quantique limite la sensibilité des détecteurs aux fréquences de mesure élevées avec lesquelles ils écoutent le cosmos.
Il n'y a pas de déjeuner gratuit
D'après la relation d'incertitude, cependant, la réduction du bruit de grenaille entraîne une augmentation du bruit de pression de rayonnement :la force avec laquelle le flux de particules lumineuses pousse sur les miroirs fluctue plus fortement. Par conséquent, les miroirs vont et viennent plus, simplement à cause des effets de la mécanique quantique.
« Il n'y a pas de déjeuner gratuit :si vous réduisez le bruit de fond de la mécanique quantique à hautes fréquences en utilisant des sources de lumière comprimées actuelles, vous payez un prix. Et ce prix est un bruit quantique accru - et donc une précision de mesure réduite - à des fréquences plus basses, " explique Moritz Mehmet, chercheur à l'AEI Hanovre.
Vue du bâtiment central GEO600 où de nombreuses technologies de détection avancées sont développées et testées. Crédit :H. Grote (Albert Einstein Institute Hanovre)
Des miroirs massifs bougent
Jusqu'à maintenant, d'autres sources de bruit technique ont caché cette augmentation du bruit de pression de rayonnement dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles. Seulement maintenant, au cours de la troisième période d'observation d'Advanced LIGO et d'Advanced Virgo (avril 2019 à mars 2020), cette détection est devenue une possibilité en utilisant des sources de lumière comprimée et en réduisant d'autres sources de bruit.
"Si nous utilisons une lumière particulièrement pressée, nous voyons clairement une gigue supplémentaire des miroirs de 42 kilogrammes dans le détecteur Advanced Virgo - des objets vraiment macroscopiques - à basse fréquence. Ceci est dû aux effets de la mécanique quantique, " dit Henning Vahlbruch, chercheur à l'AEI Hanovre.
Cette nouvelle mesure n'est possible que parce que les chercheurs sont capables de déterminer des fluctuations des positions des miroirs à moins d'un millième de diamètre de proton. Les mesures précédentes de cet effet dans des expériences en laboratoire utilisaient des masses 10 millions de fois plus légères que les miroirs Advanced Virgo.
Pionnier de la lumière comprimée GEO600
Depuis 2010, le détecteur germano-britannique GEO600 utilise une source de lumière comprimée. GEO600 joue un rôle de pionnier dans ce domaine. Lors de la troisième campagne d'observation conjointe (avril 2019 à fin mars 2020), les deux détecteurs Advanced LIGO et le détecteur Advanced Virgo utilisaient également de la lumière comprimée. À l'instrument Advanced Virgo, une source de lumière comprimée développée et construite à l'AEI Hanovre sur la base de la conception testée au GEO600 est en cours d'utilisation.
À l'avenir, les sources de lumière comprimée devront être modifiées pour augmenter encore la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles. Le rayonnement laser soigneusement réglé qu'ils génèrent ne doit plus être le même à toutes les fréquences. Ses propriétés doivent être ajustées de manière à réduire le bruit de la mécanique quantique à la fois aux hautes et aux basses fréquences. Le développement de cette compression dépendante de la fréquence est déjà en cours dans la communauté mondiale des chercheurs sur les ondes gravitationnelles, y compris GEO600. Deux groupes ont montré des premières démonstrations expérimentales réussies au printemps 2020.
