DFG-NSF: Demonstration von Positions- und Geschwindigkeitsmessungen im zerstörungsfreien Quantenregime für eine neue Topologie von Gravitationswellendetektoren

• Antragsteller: Professor Dr. Roman Schnabel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314569647

Gravitationskräfte ändern Position und Geschwindigkeit von Massen. Die präzisesten Messinstrumente für Gravitationskräfte sind Laserinterferometer, die die Bewegungen von Spiegeln, die als Testmassen fungieren, vermessen, insbesondere die Instrumente für die Detektion von Gravitationswellen. Theoretische Forschung in der Quantenmetrologie hat die Möglichkeit vorhergesagt, Kraftmessungen durch zerstörungsfreie Quantenmessungen der Position und Geschwindigkeit zu verbessern. Solche Messungen überwinden das sogenannte Standard-Quantenlimit (SQL), welches eine direkte Konsequenz der Heisenbergschen Unschärferelation ist und ein fundamentales, wenngleich nicht ultimatives Limit in der Gravitationswellendetektion. Bis heute konnte weder eine Positionsmessung noch eine Geschwindigkeitsmessung jenseits des SQLs demonstriert werden.Die Ziele dieses Projekts sind die theoretische Analyse und die Konstruktion eines neuen Typs von resonator-verstärkten optomechanischen Interferometer; die Charakterisierung einer interferometrischen Messung von Geschwindigkeit als QND-Variable; und die Ausnutzung der besonderen Eigenschaften des Aufbaus zur Demonstration einer spektralen Rauschdichte jenseits des SQLs. Der neue Aufbau wird sich auf einem optischen Tisch befinden und erstmalig eine Membran in einem Ringresonator beinhalten. Im Gegensatz zu bisher untersuchten gekoppelten Resonatoren mit einer Membran in der Mitte, vermeidet unser neuer Aufbau optomechanische Instabilitäten und wird dadurch höhere Lichtleistungen erlauben. Des Weiteren hat der neue Aufbau zwei Ausleseports, dessen Kombination die simultane Vermessung der Position und der Geschwindigkeit der Membran erlauben. Dieses Alleinstellungsmerkmal soll genutzt werden, um direkt eine Positionsmessung, die von Quantenrückwirkungsrauschen beeinträchtigt ist, mit einer QND Geschwindigkeitsmessung zu vergleichen. Die hohe Lichtleistung in dem Resonator, zusammen mit der Vermeidung von Quantenrückwirkung und zusammen mit der Einkopplung von gequetschten Zuständen des Lichts wird es ermöglichen das SQL bei Temperaturen über 5K zu erreichen und zu überwinden. Die erste Demonstration und Verifizierung von QND-Techniken in diesem Projekt werden begleitet von einer detaillierten Analyse der Skalierfähigkeit unseres Aufbaus bezüglich Detektionsfrequenz und Testmassengröße hinsichtlich einer neuen Topologie mit bisher unerreichter Empfindlichkeit für die Detektion von Gravitationswellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Großgeräte: Kryostat
• Gerätegruppe: 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yanbei Chen