LIGO surpasses the quantum limit
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LIGO dépasse la limite quantique
par Whitney Clavin, Massachusetts Institute of Technology
Les chercheurs du LIGO au MIT, à Caltech et ailleurs signalent une avancée significative dans la compression quantique, qui leur permet de mesurer les ondulations de l'espace-temps sur toute la gamme de fréquences gravitationnelles détectées par LIGO. Voici un aperçu de la technologie qui crée une lumière tamisée dans la chambre à vide de LIGO. La photo a été prise depuis l'une des fenêtres de la chambre à un moment où le presse-agrumes était opérationnel et alimentée en lumière verte. Crédit : Georgia Mansell/Observatoire LIGO Hanford
En 2015, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) est entré dans l'histoire en effectuant la première détection directe d'ondes gravitationnelles (ondulations dans l'espace et dans le temps) produites par une paire de trous noirs en collision.
Depuis lors, LIGO et son détecteur sœur en Europe, Virgo, ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de dizaines de fusions entre trous noirs ainsi que de collisions entre une classe apparentée de restes stellaires appelés étoiles à neutrons. Au cœur du succès de LIGO réside sa capacité à mesurer l’étirement et la compression du tissu de l’espace-temps à des échelles 10 000 milliards de fois plus petites qu’un cheveu humain.
Aussi incompréhensiblement petites que soient ces mesures, la précision de LIGO continue d'être limitée par les lois de la physique quantique. À des échelles subatomiques très petites, l'espace vide est rempli d'un léger crépitement de bruit quantique, qui interfère avec les mesures de LIGO et limite la sensibilité de l'observatoire.
Aujourd'hui, dans un article accepté pour publication dans Physical Review X, les chercheurs du LIGO font état d'une avancée significative dans une technologie quantique appelée « compression » qui leur permet de contourner cette limite et de mesurer les ondulations dans l'espace-temps sur toute la gamme des fréquences gravitationnelles. détecté par LIGO.
Cette nouvelle technologie de « compression dépendant de la fréquence », utilisée au LIGO depuis sa reprise en mai 2023, signifie que les détecteurs peuvent désormais sonder un plus grand volume de l'univers et devraient détecter environ 60 % de fusions en plus qu'auparavant. Cela renforce considérablement la capacité de LIGO à étudier les événements exotiques qui bouleversent l’espace et le temps.
"Nous ne pouvons pas contrôler la nature, mais nous pouvons contrôler nos détecteurs", déclare Lisa Barsotti, chercheuse scientifique principale au MIT qui a supervisé le développement de la nouvelle technologie LIGO, un projet qui impliquait à l'origine des expériences de recherche au MIT dirigées par Matt Evans. professeur de physique, et Nergis Mavalvala, professeur d'astrophysique Curtis et Kathleen Marble et doyen de l'École des sciences. L'effort inclut désormais des dizaines de scientifiques et d'ingénieurs basés au MIT, à Caltech et aux observatoires jumeaux LIGO de Hanford, dans l'État de Washington, et de Livingston, en Louisiane.
"Un projet de cette envergure nécessite plusieurs personnes, des installations à l'ingénierie et à l'optique, essentiellement l'ensemble du laboratoire LIGO avec d'importantes contributions de la collaboration scientifique LIGO. Ce fut un effort grandiose rendu encore plus difficile par la pandémie", a déclaré Barsotti. .
"Maintenant que nous avons dépassé cette limite quantique, nous pouvons faire beaucoup plus d'astronomie", explique Lee McCuller, professeur adjoint de physique à Caltech et l'un des responsables de la nouvelle étude. "LIGO utilise des lasers et de grands miroirs pour effectuer ses observations, mais nous travaillons à un niveau de sensibilité qui signifie que l'appareil est affecté par le domaine quantique."
Les résultats ont également des implications pour les futures technologies quantiques telles que les ordinateurs quantiques et autres microélectroniques ainsi que pour les expériences de physique fondamentale. "Nous pouvons utiliser ce que nous avons appris de LIGO et l'appliquer à des problèmes qui nécessitent de mesurer des distances à l'échelle subatomique avec une précision incroyable", explique McCuller.
"Lorsque la NSF a investi pour la première fois dans la construction des détecteurs jumeaux LIGO à la fin des années 1990, nous étions enthousiasmés par le potentiel d'observation des ondes gravitationnelles", a déclaré le directeur de la NSF, Sethuraman Panchanathan. « Non seulement ces détecteurs ont permis des découvertes révolutionnaires, mais ils ont également déclenché la conception et le développement de nouvelles technologies. C'est un véritable exemple de l'ADN de la NSF : des explorations motivées par la curiosité couplées à des innovations inspirées par l'utilisation. Grâce à des décennies d'investissements et d'expansion continus Grâce à des partenariats internationaux, LIGO est en outre prêt à faire progresser de riches découvertes et des progrès technologiques.
Les lois de la physique quantique dictent que les particules, y compris les photons, entrent et sortent de manière aléatoire de l'espace vide, créant un bruit de fond de bruit quantique qui apporte un niveau d'incertitude aux mesures laser de LIGO. La compression quantique, qui trouve ses racines à la fin des années 1970, est une méthode permettant de réduire le bruit quantique, ou plus précisément, de pousser le bruit d'un endroit à un autre dans le but d'effectuer des mesures plus précises.
Le terme compression fait référence au fait que la lumière peut être manipulée comme un animal en ballon. Pour fabriquer un chien ou une girafe, on pourrait pincer une section d'un long ballon dans une petite articulation précisément située. Mais l’autre côté du ballon va alors gonfler pour atteindre une taille plus grande et moins précise. De la même manière, la lumière peut être réduite pour être plus précise sur un trait, comme sa fréquence, mais le résultat est qu'elle devient plus incertaine sur un autre trait, comme sa puissance. Cette limitation est basée sur une loi fondamentale de la mécanique quantique appelée principe d’incertitude, selon laquelle on ne peut pas connaître à la fois la position et l’impulsion des objets (ou la fréquence et la puissance de la lumière).
Depuis 2019, les détecteurs jumeaux de LIGO captent la lumière de manière à améliorer leur sensibilité à la gamme de fréquences supérieures des ondes gravitationnelles qu'ils détectent. Mais, de la même manière que presser un côté d’un ballon entraîne l’expansion de l’autre côté, presser la lumière a un prix. En rendant les mesures de LIGO plus précises aux hautes fréquences, les mesures sont devenues moins précises aux basses fréquences.
Crédit : MIT
"À un moment donné, si vous serrez davantage, vous n'obtiendrez pas grand-chose. Nous devions nous préparer à ce qui allait suivre dans notre capacité à détecter les ondes gravitationnelles", explique Barsotti.
Désormais, les nouvelles cavités optiques dépendantes de la fréquence de LIGO (des tubes longs d'environ la longueur de trois terrains de football) permettent à l'équipe de capter la lumière de différentes manières en fonction de la fréquence des ondes gravitationnelles d'intérêt, réduisant ainsi le bruit sur toute la gamme de fréquences LIGO.
"Avant, nous devions choisir où nous voulions que LIGO soit plus précis", explique Rana Adhikari, membre de l'équipe LIGO et professeur de physique à Caltech. "Maintenant, nous pouvons manger notre gâteau et l'avoir aussi. Nous savons depuis un certain temps comment écrire les équations pour que cela fonctionne, mais il n'était pas sûr que nous puissions réellement le faire fonctionner jusqu'à présent. C'est comme de la science-fiction. "
Incertitude dans le domaine quantique
Chaque installation LIGO est composée de deux bras de 4 kilomètres de long reliés pour former un « L ». Les faisceaux laser parcourent chaque bras, frappent des miroirs géants suspendus, puis reviennent à leur point de départ. Lorsque les ondes gravitationnelles balayent la Terre, elles provoquent l’étirement et la compression des bras de LIGO, désynchronisant les faisceaux laser. Cela provoque une interférence spécifique entre la lumière des deux faisceaux et la présence d’ondes gravitationnelles.
Cependant, le bruit quantique qui se cache à l'intérieur des tubes à vide qui enveloppent les faisceaux laser de LIGO peut modifier la synchronisation des photons dans les faisceaux de manière infime. McCuller compare cette incertitude de la lumière laser à une boîte de billes.
"Imaginez jeter une boîte pleine de BB. Ils touchent tous le sol et cliquent et claquent indépendamment. Les BB frappent le sol de manière aléatoire, ce qui crée un bruit. Les photons lumineux sont comme les BB et frappent les miroirs de LIGO à des moments irréguliers. ", a-t-il déclaré dans une interview à Caltech.
Les technologies de compression mises en place depuis 2019 font que « les photons arrivent plus régulièrement, comme si les photons se tenaient la main plutôt que de voyager indépendamment », a déclaré McCuller. L'idée est de rendre la fréquence, ou le timing, de la lumière plus certaine et l'amplitude, ou la puissance, moins certaine
Ceci est accompli à l’aide de cristaux spécialisés qui transforment essentiellement un photon en une paire de deux photons intriqués (connectés) avec une énergie inférieure. Les cristaux ne captent pas directement la lumière dans les faisceaux laser de LIGO ; au lieu de cela, ils filtrent la lumière parasite dans le vide des tubes LIGO, et cette lumière interagit avec les faisceaux laser pour comprimer indirectement la lumière laser.
"La nature quantique de la lumière crée le problème, mais la physique quantique nous donne également la solution", explique Barsotti.
Une idée qui a commencé il y a des décennies
Le concept de compression remonte à la fin des années 1970, avec les études théoriques du regretté physicien russe Vladimir Braginsky ; Kip Thorne, professeur Richard P. Feynman de physique théorique, émérite à Caltech ; et Carlton Caves, professeur émérite à l'Université du Nouveau-Mexique.
Les chercheurs avaient réfléchi aux limites des mesures et des communications quantiques, et ces travaux ont inspiré l'une des premières démonstrations expérimentales de compression en 1986 par H. Jeff Kimble, professeur de physique William L. Valentine, émérite à Caltech. Kimble a comparé la lumière pressée à un concombre ; la certitude des mesures de lumière est poussée dans une seule direction, ou caractéristique, transformant « les choux quantiques en concombres quantiques », écrivait-il dans un article paru dans le magazine Engineering & Science de Caltech en 1993.
En 2002, les chercheurs ont commencé à réfléchir à la manière d'extraire la lumière dans les détecteurs LIGO et, en 2008, la première démonstration expérimentale de la technique a été réalisée dans l'installation d'essai de 40 mètres de Caltech. En 2010, des chercheurs du MIT ont développé une conception préliminaire pour un presse-agrumes LIGO, qu'ils ont testé sur le site LIGO de Hanford. Des travaux parallèles effectués sur le détecteur GEO600 en Allemagne ont également convaincu les chercheurs que la compression fonctionnerait. Neuf ans plus tard, en 2019, après de nombreux essais et un travail d'équipe minutieux, LIGO a commencé à exploiter la lumière pour la première fois.
"Nous avons dû procéder à de nombreux dépannages", explique Sheila Dwyer, qui travaille sur le projet depuis 2008, d'abord en tant qu'étudiante diplômée au MIT, puis en tant que scientifique à l'observatoire LIGO Hanford à partir de 2013. "La compression a d'abord été envisagée. à la fin des années 1970, mais il a fallu des décennies pour y parvenir. »
Trop de bonnes choses
Cependant, comme indiqué précédemment, la compression entraîne un compromis. En déplaçant le bruit quantique hors du timing ou de la fréquence de la lumière laser, les chercheurs ont placé le bruit dans l'amplitude (puissance) de la lumière laser. Les faisceaux laser les plus puissants poussent ensuite les lourds miroirs de LIGO, provoquant un grondement de bruit indésirable correspondant aux fréquences plus basses des ondes gravitationnelles. Ces grondements masquent la capacité des détecteurs à détecter les ondes gravitationnelles basse fréquence.
"Même si nous utilisons la compression pour mettre de l'ordre dans notre système et réduire le chaos, cela ne signifie pas que nous gagnons partout", déclare Dhruva Ganapathy, étudiante diplômée au MIT et l'un des quatre co-auteurs principaux de la nouvelle étude. . "Nous sommes toujours soumis aux lois de la physique." Les trois autres auteurs principaux de l'étude sont Wenxuan Jia, étudiant diplômé du MIT, Masayuki Nakano, postdoctorant au LIGO Livingston, et Victoria Xu, postdoctorante du MIT.
Malheureusement, ce grondement gênant devient encore plus problématique lorsque l'équipe LIGO augmente la puissance de ses lasers. "La pression et le fait d'augmenter la puissance améliorent la précision de notre détection quantique au point où nous sommes affectés par l'incertitude quantique", explique McCuller. "Les deux provoquent une poussée accrue des photons, ce qui conduit au grondement des miroirs. La puissance laser ajoute simplement plus de photons, tandis que la compression les rend plus grumeleux et donc grondants."
Un gagnant-gagnant
La solution consiste à compresser la lumière d’une manière pour les hautes fréquences des ondes gravitationnelles et d’une autre pour les basses fréquences. C'est comme faire des allers-retours entre presser un ballon par le haut, par le bas et par les côtés.
Ceci est accompli grâce à la nouvelle cavité de compression dépendante de la fréquence de LIGO, qui contrôle les phases relatives des ondes lumineuses de telle manière que les chercheurs peuvent déplacer sélectivement le bruit quantique dans différentes caractéristiques de la lumière (phase ou amplitude) en fonction de la gamme de fréquences de ondes gravitationnelles.
"Il est vrai que nous faisons ce truc quantique vraiment cool, mais la vraie raison est que c'est le moyen le plus simple d'améliorer la sensibilité de LIGO", explique Ganapathy. "Sinon, nous devrions augmenter la puissance du laser, ce qui pose des problèmes, ou augmenter considérablement la taille des miroirs, ce qui coûterait cher."
L'observatoire partenaire de LIGO, Virgo, utilisera probablement également une technologie de compression dépendante de la fréquence dans le cadre de l'exploitation en cours, qui se poursuivra jusqu'à la fin 2024 environ. Des détecteurs d'ondes gravitationnelles plus grands de nouvelle génération, tels que le Cosmic Explorer prévu au sol, seront profitez également des avantages de la lumière tamisée.
Grâce à sa nouvelle cavité de compression dépendante de la fréquence, LIGO peut désormais détecter encore plus de collisions de trous noirs et d’étoiles à neutrons. Ganapathy dit qu'il est très excité
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COMMENTAIRES
Ces résultats sont remarqables
la précision des mesures des miroirs
: Dans son état le plus sensible, LIGO sera capable de détecter un changement de distance entre ses miroirs 1/1000ème de la largeur d'un proton ! Cela équivaut à mesurer la distance jusqu’à l’étoile la plus proche (à environ 4,2 années-lumière) avec une précision inférieure à la largeur d’un cheveu humain.
Ils n ont pas cassé la loi de HEISENBERS mais l ont contourné en quelque sorte : VOIR MA FIGURER
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXMore information: Dhruva Ganapathy et al, Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing (2023).
Journal information: Physical Review X
Provided by Massachusetts Institute of Technology
This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.
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