OPTOMéCANIQUE DOSSIER fluctuations quantiques de pression de radiation du faisceau de mesure dans la cavité . Pour une expérience seulement limitée par le bruit quantique de phase du faisceau , la sensibilité est de l ’ ordre de δx min ~ λ / 16F√ — I in où I in est l ’ intensité ( en photons / s ) du faisceau utilisé pour la mesure . Cette sensibilité est typiquement de l ’ ordre de 10 – 18 à 10 – 19 m / √ — H z pour les interféromètres gravitationnels ou , pour des expériences table-top , 1 mW et une finesse de 10 000 à 1 µ m .
Augmenter la puissance incidente permet donc d ’ augmenter la sensibilité , mais pas indéfiniment . En effet , au-delà des inconvénients d ’ une forte puissance laser ( notamment le chauffage induit par l ’ absorption résiduelle des miroirs , qui peut les déformer et dégrader le mode-matching ), augmenter la puissance augmente le second bruit quantique δx rad , qui traduit à l ’ échelle macroscopique l ’ action-en-retour de la mesure . Ces deux bruits δφ in et δx rad étant conjugués ( au sens quantique du terme : deux observables qui ne commutent pas et dont le produit des fluctuations quantiques obéit à une inégalité de Heisenberg ) et évoluant de façon inverse avec la puissance du faisceau laser , la sensibilité optimale est obtenue en effectuant un compromis . On aboutit à la Limite Quantique Standard ( LQS ) [ 1 ], le plus petit déplacement observable avec un faisceau laser dans un état cohérent . L ’ existence des fluctuations quantiques et leur impact sur la sensibilité de ces mesures a donc été une motivation majeure pour les premières expériences de compression des fluctuations quantiques de la lumière .
Figure 1 . Représentation d ’ un système optomécanique générique . Un faisceau laser est incident sur une cavité optique dont le miroir de fond est mobile . Le déplacement du miroir et le faisceau sont couplés par la pression de radiation .
puis quelques dB ), des pertes optiques importantes , des faisceaux de petite taille ( pour optimiser les effets non-linéaires ) et des fréquences d ’ analyse ( vers 1 MHz ) choisies pour leur accessibilité expérimentale ( à la fois suffisamment élevées pour s ’ affranchir de toutes sortes de bruits techniques et suffisamment basses pour être facilement détectées ).
Dès le début des années 2000 , alors que les interféromètres sont pourtant encore loin d ’ avoir atteint la sensibilité nécessaire à toute détection d ’ événement astrophysique , des chercheurs préparent déjà la suite et travaillent sur des sources de lumière comprimée adaptées à ce contexte : opérant à plus basse fréquence ( entre 10 Hz et 10 kHz ), adaptées aux dimensions de l ’ expérience ( avec des faisceaux de quelques cm ), plus stables ( avec l ’ objectif d ’ un fonctionnement 24 / 7 et une automatisation du contrôle des différents asservissements ). Ce travail , mené en parallèle avec l ’ adaptation des interféromètres à de telles sources ( notamment la minimisation des pertes optiques , qui sont encore plus pénalisantes avec de la lumière comprimée ), a permis une démonstration de principe de la technique sur l ’ interféromètre GEO600 dès 2011 , et sur LIGO dès 2013 ,
FLUCTUATIONS QUANTIQUES ET SENSIBILITÉ DES INTERFÉROMÈTRES GRAVITATIONNELS
Les fluctuations quantiques de la lumière ( représentées par les disques sur la représentation du champ dans le plan complexe ) correspondent à des fluctuations de la phase ( angle depuis lequel on voit l ’ état depuis l ’ origine du plan ), qui décroissent avec une puissance laser croissante ( distance depuis l ’ origine , disques noir , gris et gris clair ) et à des fluctuations d ’ amplitude ( distance au centre ), qui induisent des fluctuations de pression de radiation qui augmentent elles avec la puissance . L ’ utilisation d ’ un état comprimé ( ellipse rouge , squeezing de la phase ) permet d ’ atteindre la même sensibilité pour une puissance réduite . On voit sur la courbe de droite ( courbe de sensibilité d ’ un interféromètre-modèle ) l ’ influence de la puissance laser sur les bruits de phase ( à haute fréquence ) et de pression de radiation ( à basse fréquence ), ainsi que l ’ effet d ’ un état comprimé . Les courbes sont calculées ici pour des miroirs « en chute libre », c ’ est-à-dire pour des fréquences nettement supérieures à la fréquence de résonance des suspensions des miroirs .
LA LUMIÈRE COMPRIMÉE EN ACTION À partir du milieu des années 1980 , de nombreux résultats expérimentaux ont été publiés sur la réduction du bruit quantique sur toutes sortes de systèmes ( gaz d ’ atomes , cristaux non-linéaires , lasers à semi-conducteurs …), avec des niveaux de réduction de bruit d ’ abord modestes ( d ’ abord quelques %,
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