基于光力系统的压缩态及其在引力波探测中的应用研究

Gravitational wave detection is of great significance in the study of astronomy and cosmology. In order to detect more gravitational wave events, we need to further improve the sensitivity of gravitational wave detectors. At present, the sensitivity of the laser interferometric gravitational wave detectors is mainly limited by the quantum noise, where radiation pressure noise dominate at the low-frequency region and the shot noise dominate at the high-frequency region. To suppress these noises, we need to generate light field with high squeezing factor and frequency-dependent squeezing angle. To solve this problem, in this project we mainly focus on the optomechanical systesm, and plan to intensively study the interaction between light and mechanical resonators. We will explore the means and methods of manipulating the quantum noise based on optomechanical systems, and investigate the improvement of the squeezing factor and the control of the squeezing angle, which will lay the foundation for the generation of high-performance and frequency-dependent squeezed light. The research of this project will provide a theoretical guidance for the detection of gravitational waves with higher sensitivity, and it is expected to find applications in other areas of precision measurements.

引力波探测在天文学和宇宙学研究方面具有重要意义。为了探测到更多引力波事件，需要进一步提高引力波探测器的灵敏度。目前，激光干涉引力波探测器的灵敏度主要受限于量子噪声，其中低频区主要为辐射压力噪声而高频区主要为散粒噪声。为了抑制这些噪声，需要制备高压缩度且压缩角随频率变化的光场。针对这个问题，本项目拟以光力系统为主要研究对象，深入研究光与机械振子的相互作用，探索基于光力系统的量子噪声操控手段和方法，研究光场压缩度的提高与压缩角的调控，为压缩度高且压缩角随频率变化的光场制备奠定基础。本项目的预期成果，将为更高灵敏度的引力波探测提供理论指导，并有望应用于精密测量的其他领域。

引力波探测在天文学和宇宙学研究方面具有重要意义。为了探测到更多引力波事件，需要进一步提高引力波探测器的灵敏度。目前，激光干涉引力波探测器的灵敏度主要受限于量子噪声。本项目针对激光干涉引力波探测器所面临的量子噪声限制探测灵敏度问题，以抽象化的光力相互作用系统为研究平台，围绕光力系统中压缩态的制备、调控及其应用开展研究，详细分析了光场压缩以及噪声抑制问题，取得了一系列处于国际前沿的重要研究成果，主要包括：(1) 建立利用光力系统制备压缩态光场的通用模型，分析了腔内光场以及输出光场的压缩性质，建立了在各参数区间进行压缩态制备的统一理论框架，给出了普适计算公式。(2) 提出利用级联压缩调控压缩角随频率变化的方法，利用多次级联式的压缩过程，将压缩度随频率的变化转变为压缩角随频率的变化，得到压缩角随频率变化的压缩态光场。(3) 提出利用腔内压缩光场抑制机械振动热噪声的方案，突破边带冷却方案存在的量子反作用极限，使得冷却极限不再受腔模耗散的影响，能够在边带不可分条件下实现机械振子的基态冷却。(4) 提出利用腔内压缩光场超越标准量子极限的测量方案，利用在进行测量的光学腔内部产生的压缩态光场，不需要通过腔镜从外界输入压缩光，克服了压缩态光场在传输过程中由于损耗导致的压缩度降低，可以更有效地突破标准量子极限，实现更高的测量精度。在本项目资助下共发表SCI论文16篇。