DOSSIER
OPTOMéCANIQUE
DE LA DÉTECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES À L ’ OPTOMÉCANIQUE QUANTIQUE
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Pierre-François COHADON 1 , *, Michaël CROQUETTE 1 , 2 , Pierre-Edouard JACQUET 1
1
Laboratoire Kastler Brossel , Paris , France
2
Institut Néel , Grenoble , France * cohadon @ lkb . upmc . fr
Les fluctuations quantiques de la lumière limitent de façon fondamentale la sensibilité des interféromètres gravitationnels . Ce domaine a ainsi été moteur pour le développement des techniques de squeezing . Parallèlement , les progrès en nano- ou microfabrication ont permis l ’ émergence d ’ un nouveau domaine , l ’ optomécanique quantique , qui s ’ intéresse au couplage de résonateurs mécaniques mésoscopiques à la lumière , avec des applications en métrologie , mais aussi en information quantique ou en physique fondamentale . https :// doi . org / 10.1051 / photon / 202412938
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LES FLUCTUATIONS QUANTIQUES DE LA LUMIÈRE ET LA DÉTECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES L ’ annonce en 2016 de la première détection des ondes gravitationnelles a suscité un intérêt considérable dans la communauté des physiciens et auprès d ’ un public beaucoup plus large . Au-delà des implications astrophysiques , c ’ est la sensibilité de l ’ expérience qui a marqué les esprits : elle a en effet nécessité une sensibilité de l ’ ordre de h ~ 10 – 21 , correspondant à des déplacements des miroirs inférieurs à 10 −18 m . Le challenge relevé pour s ’ affranchir des bruits classiques ( bruit thermique des miroirs , bruit sismique …) a été considérable et explique les quatre décennies d ’ efforts expérimentaux nécessaires entre les premières propositions au début des années 1970 et cette découverte .
Bien loin de ces considérations expérimentales , Carlton Caves a identifié dès le début des années 80 les deux bruits liés à la nature quantique de la lumière qui limitent de façon fondamentale la sensibilité de ces interféromètres . Ces bruits se discutent simplement sur le système optomécanique générique : une cavité optique dont le miroir de fond est mobile . Quand la cavité est à résonance à la longueur d ’ onde λ , les fluctuations δφ out de la phase du faisceau réfléchi par la cavité s ’ écrivent :
δφ out = δφ in + 8F — λ
( δx + δx b + δx rad ),
où δφ in est le bruit ( quantique ) de phase du faisceau incident ( voir l ’ encadré ), δx le déplacement que l ’ on veut mesurer , amplifié par la finesse F de la cavité , δx b un éventuel bruit de position et δx rad le bruit quantique de pression de radiation , qui correspond aux fluctuations de position du miroir mobile induites par les
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