La réduction du bruit quantique

Advanced Virgo utilise la technique de la « lumière comprimée » (Squeezing) pour réduire le bruit quantique (QNR). La compression de la lumière modifie l’équilibre entre les fluctuations de la lumière qui produisent le bruit de grenaille et le bruit de pression de radiation, ce qui permet à Advanced Virgo d’améliorer sa sensibilité.
Au cours de la troisième campagne d’observation O3, Advanced Virgo a régulièrement utilisé cette technique pour réduire le bruit de grenaille, augmentant d’environ 40 % la sensibilité au-dessus de 200 Hz : ce gain à haute fréquence est obtenu en comprimant les fluctuations quantiques de phase, au détriment des fluctuations quantiques d’amplitude. Par conséquent, le bruit de grenaille est réduit tandis que le bruit de pression de radiation augmente ; mais ce n’était pas un problème pendant O3 car le bruit de pression de radiation ne limitait pas la sensibilité. Cette technique est appelée « Squeezing Indépendant de la Fréquence » (FIS), car elle a le même effet (réduction du bruit de grenaille et augmentation du bruit de pression de radiation) à toutes les fréquences. La réduction du bruit qu’elle permet équivaut à une augmentation de la puissance d’entrée du laser, une opération qui est généralement assez complexe en raison des effets thermiques qui accompagnent les changements de puissance. Les états comprimés du champ électromagnétique quantique du vide sont générés par un système optique dédié gracieusement fourni par l’Institut Albert Einstein (AEI, en Allemagne) et injectés dans Advanced Virgo avant le nettoyeur de mode de sortie, après avoir traversé une interface optique qui sépare l’environnement sous vide de Virgo.

La sensibilité accrue attendue pour Advanced Virgo lors des prochaines phases d’observation O4 et O5 rend important le contrôle du bruit de la pression de radiation. C’est pourquoi Advanced Virgo utilisera la technique de squeezing dépendant de la fréquence (FDS) : les fluctuations de phase à haute fréquence seront diminuées (tout en augmentant la pression de radiation quantique, sans importance dans cette bande de fréquence), comme dans FIS, et les fluctuations d’amplitude seront abaissées à basse fréquence (en augmentant le bruit de tir là où il n’y a pas de problème). Avec le FDS, la sensibilité d’Advanced Virgo peut donc être améliorée à toutes les fréquences.
Pour ce faire, une cavité optique supplémentaire de 300 mètres de long, à très faible perte, a dû être installée parallèlement au bras nord : c’est la cavité de filtrage. Avant d’entrer dans l’interféromètre par le ‘port sombre’ du séparateur de faisceau, les états quantiques comprimés de la lumière générés par le même système fourni par l’AEI sont réfléchis par la cavité de filtrage: de cette manière, la compression est transformée d’un bruit de phase à haute fréquence en un bruit d’amplitude à basse fréquence. On dit que le squeezing est « tourné en fonction de la fréquence ».