Photonischer Trick: Physiker haben eine Methode entwickelt, die das Quantenrauschen am US-Gravitationswellen-Detektor LIGO vollständiger und frequenzangepasst unterdrückt – und so die von der Quantenphysik gesetzte Sensitivitätsgrenze überwindet. Möglich wird dies durch die Kombination verschiedener photonischer „Quantenpressen“ am Lasermessstrahl, wie das Team berichtet. Dadurch lässt sich die Detektionsrate für Gravitationswellen künftig um 65 Prozent erhöhen.
Die LIGO-Gravitationswellen-Detektoren nutzen kilometerlange Lasermesstrecken, um die von kosmischen Ereignissen verursachten Erschütterungen der Raumzeit nachzuweisen. Diese erzeugen winzige Verschiebungen in der Phase der beiden senkrecht zueinander stehenden Laserstrahlen, die als Interferenzmuster sichtbar werden – im Idealfall. Doch viele dieser Verschiebungen sind so schwach, dass sie im thermischen Rauschen und der Vakuumfluktuation untergehen.
„Gequetschtes“ Rauschen
Bereits 2019 entwickelten Physiker für LIGO deshalb eine „Quantenpresse„, die das vom Quantenrauschen gesetzte Limit umgeht: Ein Ensemble aus einem photonischen Kristall und mehreren Spiegeln unterdrückt das Störrauschen in der Phase des Laserlichts – der für die Detektion benötigten Messgröße. Die Quantenphysik bedingt allerdings, dass dafür das Rauschen in einer anderen Größe zunehmen muss – in diesem Fall der Amplitude des Laserlichts.
Durch diese Quantenpresse konnten die Physiker zwar die Sensitivität ihrer Detektoren in den oberen Frequenzen messbar erhöhen, das hat jedoch einen Preis: Um trotz der stärker verrauschten Lichtamplitude noch ein genügend starkes Signal zu erhalten, muss man die Intensität des Laserstrahls erhöhen. Dadurch steigt jedoch der Strahlungsdruck auf die frei beweglichen Spiegel und verursacht eine Art „Grummeln“ im niederfrequenten Bereich – der LIGO-Detektor wird für Gravitationswellen in diesem Frequenzbereich „schwerhöriger“.
