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

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 Löcher 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 für das Verständnis 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, erhöht sich die Signalfrequenz und zwar mit schneller werdender Rate hin zu höheren Frequenzen. Auf diese Art und Weise durchläuft das Signal schnell das Detektionsband des Gravitationswellendetektors und die eigentliche Verschmelzung sowie darauffolgende Oszillationssignale können nicht beobachtet werden, weil die Sensitivität der Detektoren bei den dafür nötigen höheren Frequenzen nicht ausreicht. Eine Erhöhung der Sensitivität bei kleinen Frequenzen würde eine frühere Detektion von Signalen ermöglichen, sodass mehr Informationen über die astronomischen Objekte gewonnen werden können. Außerdem würde die Signalquelle am Himmel präzise lokalisierbar, sodass Beobachtungen durch weitere Teleskope frühzeitig beginnen könnten. Eine höhere Sensitivität im hochfrequenten Bereich würde es ermöglichen, auch die eigentliche Verschmelzung zu beobachten sowie Signale nach der Verschmelzung zu messen. Dadurch könnten neue Erkenntnisse zur Physik von ultradichter Quantenmaterie gewonnen werden. Limitiert wird die Sensitivität, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen, durch die Quanteneigenschaften des Laserlichts, welches genutzt wird, um die relativen Positionsänderungen von Spiegeln zu messen. Diese Anderungen werden durch Gravitationswellen hervorgerufen. Bei kleinen Frequenzen sorgt die Amplitudenunschärfe des Lichts für Schwankungen des auf die Spiegel wirkenden Strahlungsdrucks, wodurch das Gravitationswellensignal überdeckt wird. Bei hohen Frequenzen koppelt durch die Phasenunschärfe des Lichts Rauschen in die Detektoren ein. In die Detektoren sind außerdem optische Resonatoren integriert, welche das Messsignal innerhalb der Resonatorbandbreite verstärken. Signale außerhalb der Bandbreite werden unterdrückt. Gravitationswellensignale von sich umkreisenden Neutronensternen haben in der Regel Frequenzen außerhalb dieser Detektionsbandbreite. In dieser Arbeit befasse ich mich mit der Limitierung der Sensitivität der Detektoren und zeige Wege auf, diese zu verbessern. Dafür diskutiere ich einen Detektor, welcher auf einer Geschwindigkeitsmessung basiert und zeige zwei Wege auf, um die Messgenauigkeit zu steigern: Zum einen mit quantenverschränktem Licht und zum anderen mit einem Umlaufresonator, also einer neuartigen Detektortopologie. Außerdem studiere ich die Sensitivitäsbeschränkungen, welche durch die Resonatoren zur Signalverstärkung 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 erhöht. Ich untersuche, wie die durch internes squeezing kontrollierten Quantenkorrelationen dabei helfen können, die Empfindlichkeit des Detektors bei ausgewählten Frequenzen zu optimieren. Dabei zeige ich, das der Einfluss von Dekohärenz auf durch Quetschlicht optimierte Sensitivität durch die Nutzung von Quantenkorrelationen, die durch internes Squeezing erzeugt werden, reduziert werden kann. Die Quantennatur des Lichts stellt ein fundamentales Limit für die Sensitivität der Gravitationswellendetektoren dar und verhindert die Beobachtung schwacher Signale. Sie kann aber auch als nützliches Werkzeug eingesetzt werden, um durch Quantenkorrelationen schwa ̈chste, im Rauschen versteckte Signale, sichtbar zu machen. Dies zeige ich für unterschiedliche Szenarien in dieser Arbeit. Nicht nur die Gravitationswellenastronomie kann von diesen Ansätzen profitieren. In allen Resonator gestützten quantenmetrologischen Experimenten können Quantenkorrelationen genutzt werden, um die Messsensitivität zu verbessern.