Réduction du bruit quantique avec squeezing dépendent de la fréquence pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles de prochaine génération – Quantum-FRESCO

L'astronomie des ondes gravitationnelles (OG), commencée en 2015, a déjà obtenu des résultats très importants dans divers domaines, tels que la relativité générale, l'astrophysique et la cosmologie. Le réseau de détecteurs de "deuxième génération" (2G), qui comprend LIGO, Virgo et KAGRA, a un riche programme scientifique pour la prochaine décennie, notamment l'étude de questions telles que la nature de la gravitation et de l’énergie sombre, les propriétés de la matière nucléaire et la formation des trous noirs. En parallèle, des détecteurs d’OG de "troisième génération" sont à l'étude, notamment le télescope européen Einstein (ET), dans le but de décupler la sensibilité par rapport à LIGO et Virgo. L'une des principales limites à la sensibilité des détecteurs actuels et futurs est le bruit quantique, imposé par les fluctuations de vide du champ électromagnétique entrant dans le détecteur depuis son port de sortie. Une technologie clé pour réduire le bruit quantique est le remplacement du vide "ordinaire" par ce que l'on appelle le "vide comprimé" (squeezing). Dans un état "squeezing" l'amplitude ou les fluctuations de phase (les mêmes dans le vide "ordinaire") sont réduites en dessous du niveau d'un état de vide ordinaire. Les états de vide comprimé sont généralement représentés par une ellipse dans le plan phase-amplitude, alors que le vide ordinaire est un cercle.  Si le signal OG est aligné en quadrature avec l'incertitude réduite, le rapport signal/bruit s'améliore. Les états squeezed ont déjà été utilisés dans Virgo et LIGO fournissant une augmentation significative de la sensibilité dans une partie de la bande du détecteur (au-dessus de ~100 Hz). Dans un avenir proche, un squeezing "dépendant de la fréquence", obtenu en réfléchissant le squeezing par une cavité optique de 300 m légèrement hors résonance, sera utilisé pour réduire le bruit quantique dans l'ensemble de la bande du détecteur. Cette "cavité de filtrage quantique" permet de faire tourner l'ellipse en fonction de la fréquence de Fourier, afin de compenser une rotation optomécanique de l'ellipse qui a lieu à l'intérieur de l'interféromètre. De cette manière, le principe d'Heisenberg reste respecté à chaque fréquence, mais le signal des OG est toujours aligné sur la quadrature avec moins de fluctuations quantiques. Pour la configuration actuel de Virgo et LIGO, une seule cavité optique suffit à optimiser le squeezing en fonction de la fréquence, mais les détecteurs futurs, tels que ET et peut-être les améliorations de LIGO, Virgo et KAGRA, utiliseront une configuration optique appelée "recyclage du signal detuned". En fait, la technique de recyclage du signal (signal recycling ou SR), actuellement utilisée dans les détecteurs 2G, dans laquelle un miroir est placé entre la sortie du détecteur et les photodiodes de détection du signal, permet de modifier la réponse en fréquence du détecteur afin d'optimiser le rapport signal/bruit pour certaines sources OG. Pour des réponses "plates" (tuned SR), une seule cavité de filtrage est suffisante pour optimiser le squeezing injecté. Pour le SR detuned, l'interféromètre fera tourner l'ellipse d'une manière non triviale, et 2 cavités en série ou une cavité à 3 miroirs (cavité couplé) seront nécessaires pour optimiser la rotation de l'ellipse avant l'injection du squeezing. Ce projet vise à étudier le squeezing en fonction de la fréquence avec une rotation non-triviale de l’ellipse de squeezing. Nous étudierons d'abord les deux configurations possibles en simulation, puis nous testerons expérimentalement cette source de squeezing en utilisant la configuration la plus efficace. Notre objectif sera donc la démonstration expérimentale, jamais obtenue à ce jour, d'une source de squeezing dépendant de la fréquence avec une rotation non triviale de l'ellipse de squeezing, optimisée pour un interféromètre qui utilise la configuration SR detuned, avec un impact très important pour les futurs détecteurs d’OG et la science associée.