Erfolgsgeschichte: Quantengestützter Gravitationswellen-Nachweis

Die Entwicklung der weltbesten Quellen für gequetschtes Licht in Hannover war von zentraler Bedeutung, um die außerordentliche Empfindlichkeit aktueller Gravitationswellendetektoren zu erreichen. GEO600 war der erste Detektor, der routinemäßig nicht-klassisches Licht verwendete, und die Forschenden von QuantumFrontiers halten den Rekord für den höchsten Grad an Licht-Quetschung (6 dB) in einem vollwertigen Gravitationswellendetektor [1]. Sie haben die Quelle für gequetschtes Licht für Advanced Virgo entwickelt und installiert [2, 3] und so die astrophysikalische Reichweite des Detektors vergrößert [4]. Zudem haben sie einen entscheidenden Beitrag zum Hochleistungslasersystem für aLIGO geleistet [5, 6]. Erst die dadurch erhöhte Empfindlichkeit der Detektoren hat den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen ermöglicht und den gemeinsamen Betrieb dieser Detektoren als Teil des globalen Detektornetzwerks erlaubt.

Um künftige Gravitationswellendetektoren mit noch höherer Empfindlichkeit und damit bahnbrechende Entdeckungen in der Astrophysik und der Grundlagenphysik zu ermöglichen, haben Forschende von QuantumFrontiers frequenzabhängig gequetschtes Licht ohne externe optische Resonatoren erzeugt [7], eine Rauschreduzierung von über 13 dB bei der Laserwellenlänge von 1550 nm erreicht [8] und das Quetschen in transversalen Moden höherer Ordnung nachgewiesen [9]. Auch bei der kohärenten Verringerung des Druckrauschens von Quantenstrahlung wurden bedeutende Fortschritte erzielt, und die erste Integration optischer und optomechanischer Teilsysteme steht kurz bevor [10].

Dank dieser Leistungen ist die LISA-Mission auf dem besten Weg, Mitte der 2030er Jahre zu starten, wobei QuantumFrontiers-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler für das interferometrische Detektionssystem, die Entwicklung des Phasenmeters und die Rauschleistungsstudien verantwortlich sind. Über die LISA-Mission hinaus werden Konzepte zur Miniaturisierung optischer Sensoren untersucht [15], eine Torsionswaage als Kraftprüfstand entwickelt [16] und Anstrengungen zur Reduzierung von optischen Rauschquellen unternommen [17].

Schließlich spielen die Forschenden von QuantumFrontiers eine Schlüsselrolle bei Gravitationswellendetektoren im Infraschallbereich unter Verwendung der Materiewellen-Interferometrie. Im Rahmen der terrestrischen VLBAI-Kollaboration wurden verschiedene Detektorkonzepte mit Partnern in den USA (MAGIS) und China (ZAIGA) erprobt [18]. Prototypen im 10-Meter-Maßstab sind einsatzbereit, darunter die VLBAI-Anlage in Hannover. Im Rahmen des Europäischen Labors für Gravitations- und Atom-Interferometrie-Forschung (ELGAR) bereiten die Forschenden von QuantumFrontiers Studien für eine europaweite Infrastruktur für eine 3D-Infraschall-Gravitationswellen-Antenne mit gequetschten Atomquellen vor.