DFG/NSF: Demonstration of Position and Speed Measurements in the Quantum Non-Demolition Regime Towards a New Gravitational-Wave Detector Topology

DFG/NSF:在量子非破坏机制中演示新型引力波探测器拓扑的位置和速度测量

基本信息

  • 批准号:
    1612816
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16.9万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-08-15 至 2019-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This award supports a collaboration between Roman Schnabel at University of Hamburg and Yanbei Chen at the California Institute of Technology (Caltech) and is funded by the Gravitational Physics program from Physics Division and the Global Venture Fund from the Office of International Science and Engineering. Gravitational forces change the position and speed of a mass. The most precise measurement devices for gravitational forces are laser interferometers sensing the motion of mirrors acting as test masses, in particular those built for the detection of gravitational waves. Theoretical research in quantum metrology has predicted the possibility to improve force measurements by realizing a quantum non-demolition (QND) scheme for position and speed. Such a scheme surpasses the so-called standard quantum limit (SQL), which is a direct consequence of Heisenberg's Uncertainty Relation and a fundamental, yet not ultimate, limit in gravitational-wave detectors. Up to now, neither a position nor a speed measurement noise spectral density beyond the SQL has been demonstrated. This project studies and demonstrate strategies toward improving the sensitivity of future gravitational-wave detectors upon this limit. It has an experimental component at the University of Hamburg, led by Schnabel, and a theoretical component at Caltech, led by Chen. This project will serve as a training ground for young scientists, in particular teaching Ph.D. students how to conduct research within a close collaboration between experimental and theoretical research groups. Research carried out here will benefit the broader community of quantum optomechanics, adding new tools for preparing, manipulating and observing the quantum states of mechanical objects. Techniques developed in this project will also be applicable to other precision measurement systems.The aims of this project are the theoretical analysis and the construction of a new type of a cavity-enhanced optomechanical interferometer; the characterization of the interferometric measurement of speed as a QND variable; and the employment of the new setup's unique properties for demonstrating a noise spectral density beyond the SQL. The new setup will be table-top and will comprise for the first time a membrane inside a ring cavity. In contrast to previously investigated coupled cavities with a membrane in the middle, the new setup avoids optomechanical instabilities and will allow for much higher intra-cavity light powers. Furthermore, the new setup has two output ports, whose combination enables the simultaneous monitoring of membrane position and membrane speed. This unique feature will be used for a direct comparison between position measurements that are affected by quantum back-action and QND speed measurements. The high intra-cavity light powers, together with the back-action evading property of the new system and the injection of squeezed states of light will enable reaching and even surpassing the SQL at temperatures above 5K. The first demonstration and verification of QND techniques as planned in this project will be accompanied by a detailed analysis of scalability with regard to detection frequency and test mass size. This would be development towards a new interferometer topology with unprecedented sensitivity for the detection of gravitational waves.
该奖项支持汉堡大学的罗曼·施纳贝尔和加州理工学院(加州理工学院)的陈艳贝之间的合作,并由物理部的引力物理项目和国际科学与工程办公室的全球风险基金提供资金。重力改变了质量的位置和速度。最精确的引力测量设备是激光干涉仪,它能感知作为测试质量的反射镜的运动,特别是那些为探测引力波而建造的反射镜。量子计量学的理论研究预测了通过实现位置和速度的量子非摧毁(QND)方案来改进力测量的可能性。这样的方案超过了所谓的标准量子极限(SQL),标准量子极限是海森伯格测不准关系的直接结果,也是引力波探测器的一个基本但不是最终的极限。到目前为止,还没有超过SQL的位置和速度测量噪声谱密度的证明。该项目研究并演示了提高未来引力波探测器在这一极限上灵敏度的策略。它在汉堡大学有一个实验部分,由施纳贝尔领导,在加州理工学院有一个理论部分,由陈领导。这个项目将作为年轻科学家的培训基地,特别是教授博士生如何在实验和理论研究小组之间的密切合作下进行研究。这里开展的研究将使更广泛的量子光力学社区受益,为制备、操纵和观察机械物体的量子态增加新的工具。本项目开发的技术还将适用于其他精密测量系统。本项目的目的是理论分析和构建一种新型的腔增强型光机械干涉仪;将速度的干涉测量作为QND变量的表征;以及利用新装置的独特特性来演示超出SQL的噪声谱密度。新的装置将是桌面式的,并将首次在环形腔内包含膜。与之前研究的中间带有薄膜的耦合腔相比,新的设置避免了光机械不稳定性,并将允许更高的腔内光功率。此外,新的设置有两个输出端口,这两个端口的组合使膜位置和膜速度能够同时监控。这一独特的功能将用于直接比较受量子反作用影响的位置测量和QND速度测量。高的腔内光功率,加上新系统的反向作用回避特性,以及压缩光态的注入,将使在5K以上的温度下达到甚至超过SQL。本项目计划的QND技术的第一次演示和验证将伴随着关于检测频率和测试质量大小的可扩展性的详细分析。这将是一种新的干涉仪拓扑结构的发展,具有前所未有的灵敏度,用于探测引力波。

项目成果

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