Gravitationswellendetektion
Gravitationswellen werden von beschleunigten Massen abgestrahlt und manifestieren sich als Schwingungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Messbar sind Gravitationswellen durch Abstandsänderungen zwischen „frei fallenden“ Testmassen. (Der Ausdruck bedeutet, dass Gravitationskräfte Massen nach Newtons Gesetz F = m·a beschleunigen.) Gravitationswellendetektoren sind Michelson-Laserinterferometer, deren Spiegel als Pendel aufgehängt sind und so als Testmassen dienen, die sich entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserlichts für kleine Auslenkungen und Kräfte quasi-frei verhalten. Die Abbildung zeigt die Auswirkung einer Gravitationswelle auf die Metrik der Raumzeit.
Weltweit gibt es mehrere große Michelson-Laserinterferometer zur Detektion von Gravitationswellen. GEO600 ist ein deutsch-britisches Projekt mit einer Armlänge von 600m. Es war von 2012 bis 2015 auf der Suche nach Gravitationswellen, damals als erster GW-Detektor mit gequetschten Licht. Die Technologie und der Quetschlaser selbst wurde von Prof. Schnabel und seiner Arbeitsgruppe von 2003 bis 2010 entwickelt [1,2].
Das US-amerikanische LIGO-Projekt hat zwei Detektoren mit 4km langen Armen und das italienisch-französische Projekt Virgo hat eine Armlänge von 3km. Der japanische KAGRA-Detektor hat ebenfalls eine Armlänge von 3km. Unmittelbar nach dem Upgrade im Jahr 2015 hat Advanced LIGO erstmals Gravitationswellen beobachtet. Inzwischen haben Advanced LIGO und Advanced Virgo von ca. 100 Nachweisen berichtet. Seit 2019 sind alle Ereignisse mit verbessertem Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch gequetschtes Licht aufgezeichnet worden [3,4]. Gequetschtes Licht gehörte weder zu den ersten Entwürfen von Advanced LIGO noch von Advanced Virgo. Wie der große Erfolg von gequetschtem Licht in GEO600 [2] gezeigt hat, leistet die Technik einen wertvollen Beitrag zum Erreichen der geplanten Sensitivität bei vergleichsweise geringerem Aufwand.
Unsere Arbeitsgruppe am IQP entwickelt Quetschlasertechnologie für Gravitationswellendetektoren [1-6], führt erste Demonstrationsexperimente durch, wie gequetschtes und verschränktes Licht GW-Observatorien noch besser machen kann [7,8], entwickelt und testet maschinelles Lernen („künstliche Intelligenz“) für die Anwendung in GW Observatorien [9].
[1] R. Schnabel, N. Mavalvala, D. E. McClelland, P. K. Lam, Quantum metrology for gravitational wave astronomy. Nature Communications 1, 121 (2010).
[2] The LIGO Scientific Collaboration (J. Abadie et al.), A gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit, Nature Physics 7, 962 (2011).
[3] M. Tse et al., Quantum-Enhanced Advanced LIGO Detectors in the Era of Gravitational-Wave Astronomy, Phys. Rev. Lett. 123, 231107 (2019).
[4] F. Acernese et al., Increasing the astrophysical reach of the advanced virgo detector via the application of squeezed vacuum states of light, Phys. Rev. Lett. 123, 231108 (2019).
[5] A. Schönbeck, F. Thies, R. Schnabel, 13dB Squeezed Vacuum States at 1550nm from 12mW external pump power at 775nm, Opt. Lett. 43, 110–113 (2018).
[6] C. Darsow-Fromm, J. Gurs, R. Schnabel, S. Steinlechner, Squeezed light at 2128 nm for future gravitational-wave observatories, Opt. Lett. 46, 5850 (2021).
[7] J. Südbeck, S. Steinlechner, M. Korobko, R. Schnabel, Demonstration of interferometer enhancement through EPR entanglement, Nat. Photonics 14, 240 (2020).
[8] M. Korobko, J. Südbeck, S. Steinlechner, R. Schnabel, Mitigating Quantum Decoherence in Force Sensors by Internal Squeezing, Phys. Rev. Lett. 131, 143603 (2023).
[9] N. Heimann, J. Petermann, D. Hartwig, R. Schnabel, L. Mathey, Predicting the motion of a high-Q pendulum subject to seismic perturbations using machine learning, Appl. Phys. Lett. 122, 254101 (2023).