Beating the standard quantum limit with broadband quantum locking for the space gravitational wave detector DECIGO

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01924
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Kawamura Seiji 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (40301725)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 原始重力波 / DECIGO / 量子ロッキング / 標準量子限界 / 光バネ

Outline of Final Research Achievements

We have developed the technique of optical-spring quantum locking to improve the detection of primordial gravitational waves using the space gravitational wave antenna DECIGO. This method reduces quantum noise over a wide bandwidth by sharing the mirrors of the main cavity with an auxiliary cavities and controlling its position offset from the resonance point. Through simulations using the method of square completion, we have shown that the signal-to-noise ratio for primordial gravitational waves can be significantly improved. In experiments, we applied simulated signals of radiation pressure noise and shot noise to two cavities and confirmed that the signal-to-noise ratio of the synthesized signal produced by the square completion method is equivalent to the better of the two signals at all frequencies.

Free Research Field

重力波物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究が成功し、光バネ量子ロッキングの技術が完成し、宇宙重力波望遠鏡DECIGOへの実装が可能になれば、原始重力波の検出の可能性がより確実なものとなる。原始重力波は宇宙誕生直後に起きたと考えられているインフレーションの時代に時空の量子揺らぎから発生したと考えられているため、もし、原始重力波が検出されれば、インフレーションや宇宙誕生に関する謎が解明される可能性がある。また、DECIGOにより、ダークエネルギー、原始ブラックホール、一般相対性理論の検証など様々な物理の新しい知見が得られることが期待される。また、本研究は、標準量子限界を破るという意味で、量子論の基礎の解明にもつながる。