Utilisation d’états comprimés de la lumière pour la réduction du bruit quantique dans le détecteur d’ondes gravitationnelles Advanced Virgo

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels, comme LIGO, Virgo et KAGRA, sont des interféromètres laser. Cette technique consiste à injecter un faisceau laser par un port d’entrée, qui est ensuite séparé dans deux bras de plusieurs kilomètres de long par un miroir semi-réfléchissant. Au bout de chaque bras, un miroir renvoie le faisceau vers le miroir semi-réfléchissant. Les deux faisceaux interfèrent alors et la puissance du faisceau résultant, mesuré au port de détection, contient l’information de la longueur relative des deux bras. Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse le détecteur, cette longueur relative varie au cours du temps. Plusieurs sources de bruits dégradent la qualité du signal enregistré, ce qui affecte le nombre d’ondes gravitationnelles observable. Actuellement, cette sensibilité est limitée par le bruit quantique à hautes fréquences.Une onde électromagnétique décrite par la mécanique quantique possède une amplitude classique à laquelle s’ajoute des fluctuations quantiques en amplitude et en phase. Un état avec une amplitude classique nulle est appelé état du vide, mais présente quand même ces fluctuations quantiques. Ainsi, dans le détecteur, bien qu’aucun faisceau lumineux ne soit introduit par le port de détection, l’état du vide est présent. Ce sont alors les fluctuations quantiques de cet état du vide qui sont responsables du bruit quantique de l’interféromètre. En particulier, les fluctuations en phase et en amplitude sont respectivement responsables du bruit quantique à hautes et à basses fréquences ; la séparation entre ces deux régions se situant à environ 100 Hz.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’injection d’états comprimés du vide dans le détecteur Virgo via le port de détection afin d’abaisser le bruit quantique. Ces états sont caractérisés par le fait d’avoir leurs fluctuations en phase (amplitude) réduites ce qui permet de diminuer le bruit quantique à haute (basse) fréquence. Comme le détecteur Virgo est actuellement uniquement limité par le bruit quantique à haute fréquence, seul des états comprimés du vide en phase ont été utilisés lors de la dernière période d’observation : O3. En amont, il a d’abord fallu s’assurer que ces états comprimés du vide avaient les paramètres géométriques et de phase par rapport au faisceau de l’interféromètre tels qu’ils ne soient pas dégradés. Des boucles de contrôles ont permis de maintenir ces paramètres à leurs valeurs nominales au cours d’O3, période longue d’une année. La diminution du bruit quantique à haute fréquence, mais aussi l’augmentation du bruit quantique à basse fréquence, ont pu être mesurées pour la première fois avec le détecteur Virgo. Ces observations ont été en accord avec les mesures des pertes qui affectent l’état comprimé du vide.A partir d’O4, le bruit quantique sera également limitant à basse fréquence. Il sera alors possible d’utiliser des états comprimés du vide ayant leurs fluctuations en amplitude réduites à basse fréquence et leurs fluctuations en phase réduites à haute fréquence. Ainsi, la totalité du bruit quantique peut être diminué. De tels états peuvent être générés en utilisant une cavité optique appelée cavité de filtrage. La seconde partie des travaux présentés dans cette thèse a consisté à définir les paramètres optiques de la cavité de filtrage qui sera installée sur Virgo pour O4. Pour cela, il a d’abord fallu étudier les sources de dégradations des états comprimés du vide. Cela a ensuite permis de définir la longueur de la cavité de filtrage et l’ensemble des paramètres des miroirs qui la composent. Finalement, l’implémentation de cette cavité de filtrage au sein de l’infrastructure de Virgo a été étudiée. Cela a permis de montrer que l’utilisation d’états comprimés permettra effectivement de réduire le bruit quantique sur tout le spectre de sensibilité de Virgo.Current gravitational wave detectors, such as LIGO, Virgo and KAGRA, are laser interferometers. This technique consists of injecting a laser beam through an input port, which is then separated into two arms several kilometers long by a semi-reflecting mirror. At the end of each arm, a mirror reflects the beam back to the semi-reflecting mirror. The two beams then interfere and the power of the resulting beam, measured at the detection port, contains information about the relative length of the two arms. When a gravitational wave passes through the detector, this relative length varies in time. Several noise sources degrade the quality of the recorded signal, which affects the number of gravitational waves that can be observed. Currently, this sensitivity is limited at high-frequency by the quantum noise.An electromagnetic wave described by quantum mechanics has a classical amplitude and quantum fluctuations in amplitude and phase. A state with a null classical amplitude is called a vacuum state, but still has these quantum fluctuations. Thus, in the detector, although no light beam is introduced through the detection port, the vacuum state is present. It is then the quantum fluctuations of this vacuum state that are responsible for the quantum noise of the interferometer. In particular, the phase and amplitude fluctuations are respectively responsible for the quantum noise at high and low frequencies; the separation between these two regions occurs at about 100 Hz.The work presented in this thesis focuses on the injection of squeezed vacuum states into the Virgo detector via the detection port in order to lower the quantum noise. These states are characterized by the fact that their phase (amplitude) fluctuations are reduced, which allows reducing the quantum noise at high (low) frequency. As the Virgo detector is currently limited only by high-frequency quantum noise, only phase squeezed vacuum states were used during the last observation period O3. It was first necessary to ensure that these squeezed vacuum states had the proper geometric and phase parameters with respect to the interferometer beam such that they were not degraded. Control loops allowed these parameters to be maintained at their nominal values during O3, a year long period. The decrease in high-frequency quantum noise, but also the increase in low-frequency quantum noise, have been measured for the first time with the Virgo detector. These observations were in agreement with the measurements of the losses that affect the squeezed vacuum states.From O4 , quantum noise will also be limiting at low frequency. It will then be possible to use squeezed vacuum states having their amplitude fluctuations reduced at low frequency and their phase fluctuations reduced at high frequency. Thus, the total quantum noise can be reduced. Such states can be generated using an optical cavity called a filter cavity. The second part of the work presented in this thesis consisted in defining the optical parameters of the filter cavity that will be installed on Virgo for O4. To do this, it was first necessary to study the sources of degradation of the squeezed states of the vacuum. This then allowed defining the length of the filtering cavity and the set of parameters of the mirrors that compose it. Finally, the implementation of this filter cavity within the Virgo infrastructure was studied. This has shown that the use of compressed states will effectively reduce quantum noise over the entire sensitivity spectrum of Virgo