Research press release


Nature Physics

Light squeezed in the search for gravitational waves

アインシュタインの一般相対性理論は、大きな恒星の爆発やブラックホールの衝突などの大規模な天文現象が起こると、宇宙の骨組みそのものに重力波と呼ばれるさざ波が生じると予想している。このような波はまだ観測されていない。しかし、光の量子力学的性質を用いて、稼働中の重力波検出器の感度を向上させる方法が、Nature Physics(電子版)で報告される。 重力波が宇宙のある領域を通り過ぎると、池の表面のさざ波によく似た伸び縮みが宇宙自体に生じると予想されている。LIGO研究グループのR Schabelたちは、重力波天文台の世界的なネットワークでこのような宇宙の過渡的なさざ波を検出したいと考えている。各々の重力波天文台では、マイケルソン干渉計と呼ばれるキロメートルサイズの計測器の直交するアームに沿って、2等分されたレーザービームが往復する距離のごくわずかな変動を測定している。 残念なことに、重力波によってこのようなデバイスの出力に生じると予想される変化の大きさは非常に小さく、一般的に光ビームの量子力学的ゆらぎによって生じるノイズよりも小さい。これを克服するため、Schabelたちは、いわゆるスクイーズド光を用いている。これによって、量子力学の法則の抜け穴を利用して、光の1つの特性のゆらぎを増やすことで、もう1つの特性のゆらぎを減らすことができる。 ドイツのザルスタット近郊にあるGEO600干渉計にこの方法を実装することで、この干渉計でこれまでに達成された感度より著しく高いレベルの感度が得られた。

Einstein's general theory of relativity predicts that when massive astronomical events occur, such as the explosion of large stars or the collision of black holes, they should generate ripples in the very fabric of space known as gravitational waves. These waves have yet to be observed; however, a technique that uses the quantum mechanical nature of light to improve the sensitivity of working gravitation wave detectors is reported in Nature Physics this week.

As a gravitational wave passes by through a region of space, it is expected to cause the space itself to expand and contract — much like ripples on the surface of a pond. Roman Schabel and colleagues of the LIGO collaboration hope to detect these transient ripples in space with a global network of gravitational wave observatories. Each of these observatories measures tiny variations in the distance travelled by two halves of a laser beam that has been split along perpendicular arms of a kilometre-sized instrument called a Michelson interferometer.

Unfortunately, the magnitude of the change that a gravitational wave is predicted to induce in the output of such a device is so small that it is usually dwarfed by noise generated by quantum mechanical fluctuations of its light beams. To overcome this, the authors use so-called squeezed light, which exploits a loophole in the laws of quantum mechanics that enables them to reduce the fluctuations in one characteristic of their light by increasing the fluctuations in another.

By implementing this approach in the GEO600 interferometer located near Sarstedt, Germany, the authors reach significantly higher levels of sensitivity than previously achieved in the device.

doi: 10.1038/nphys2083


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