Increasing the Astrophysical Reach of the Advanced Virgo Detector via the Application of Squeezed Vacuum States of Light

F. Acernese , M. Agathos , L. Aiello , A. Allocca , A. Amato (1) , S. Ansoldi , S. Antier (2) , M. Arène (2) , N. Arnaud (3) , S. Ascenzi , P. Astone , F. Aubin (4) , S. Babak (2) , P. Bacon (2) , F. Badaracco , M.K.M. Bader , J. Baird (2) , F. Baldaccini , G. Ballardin , G. Baltus , C. Barbieri , P. Barneo , F. Barone , M. Barsuglia (2) , D. Barta , A. Basti , M. Bawaj , M. Bazzan , M. Bejger , I. Belahcene (3) , S. Bernuzzi , D. Bersanetti , A. Bertolini , M. Bischi , M. Bitossi , M.A. Bizouard (5) , F. Bobba , M. Boer (5) , G. Bogaert (5) , François Bondu (6) , R. Bonnand (4) , B.A. Boom , V. Boschi , Y. Bouffanais , A. Bozzi , C. Bradaschia , M. Branchesi , M. Breschi , T. Briant (7) , F. Brighenti , A. Brillet (5) , J. Brooks , G. Bruno , T. Bulik , H.J. Bulten , D. Buskulic (4) , G. Cagnoli (1) , E. Calloni , M. Canepa , G. Carapella , F. Carbognani , G. Carullo , J. Casanueva Diaz , C. Casentini , J. Castañeda , S. Caudill , F. Cavalier (3) , R. Cavalieri , G. Cella , P. Cerdá-Durán , E. Cesarini , O. Chaibi (5) , E. Chassande-Mottin (2) , F. Chiadini , R. Chierici (8) , A. Chincarini , A. Chiummo , N. Christensen (5) , S. Chua (7) , G. Ciani , P. Ciecielag , M. Cieślar , R. Ciolfi , F. Cipriano (5) , A. Cirone , S. Clesse , F. Cleva (5) , E. Coccia , P.F. Cohadon (7) , D. Cohen (3) , M. Colpi , L. Conti , I. Cordero-Carrión , S. Corezzi , D. Corre (3) , S. Cortese , J.P. Coulon (5) , M. Croquette (7) , J.R. Cudell , E. Cuoco , M. Curylo , B. d'Angelo , S. d'Antonio , V. Dattilo , M. Davier (3) , J. Degallaix (9) , M. de Laurentis , S. Deléglise (7) , W. del Pozzo , R. de Pietri , R. de Rosa , C. de Rossi , T. Dietrich , L. Di Fiore , C. Di Giorgio , F. Di Giovanni , M. Di Giovanni , T. Di Girolamo , A. Di Lieto , S. Di Pace , I. Di Palma , F. Di Renzo , M. Drago , J.G. Ducoin (3) , O. Durante , D. d'Urso , M. Eisenmann (4) , L. Errico , D. Estevez (4) , V. Fafone , S. Farinon , F. Feng (2) , E. Fenyvesi , I. Ferrante , F. Fidecaro , I. Fiori , D. Fiorucci , R. Fittipaldi , V. Fiumara , R. Flaminio (4) , J.A. Font , J.D. Fournier (5) , S. Frasca , F. Frasconi , V. Frey (3) , G. Fronzè , F. Garufi , G. Gemme , E. Genin , A. Gennai , Archisman Ghosh , B. Giacomazzo , M. Gosselin , R. Gouaty (4) , A. Grado , M. Granata (9) , G. Greco , G. Grignani , A. Grimaldi , S.J. Grimm , P. Gruning (3) , G.M. Guidi , G. Guixé , Y. Guo , P. Gupta , O. Halim , T. Harder (5) , J. Harms , A. Heidmann (7) , H. Heitmann (5) , P. Hello (3) , G. Hemming , E. Hennes , T. Hinderer , D. Hofman (9) , D. Huet (3) , V. Hui (4) , B. Idzkowski , A. Iess , G. Intini , J.M. Isac (7) , T. Jacqmin (7) , P. Jaranowski , R.J.G. Jonker , S. Katsanevas , F. Kéfélian (5) , I. Khan , N. Khetan , G. Koekoek , S. Koley , A. Królak , A. Kutynia , D. Laghi , A. Lamberts (5, 10) , I. La Rosa (4) , A. Lartaux-Vollard (3) , C. Lazzaro , P. Leaci , N. Leroy (3) , N. Letendre (4) , F. Linde , M. Llorens-Monteagudo , A. Longo , M. Lorenzini , V. Loriette (11) , G. Losurdo , D. Lumaca , A. Macquet (5) , E. Majorana , I. Maksimovic (11) , N. Man (5) , V. Mangano , M. Mantovani , M. Mapelli , F. Marchesoni , F. Marion (4) , A. Marquina , S. Marsat (2) , F. Martelli , V. Martinez (1) , A. Masserot (4) , S. Mastrogiovanni (2) , E. Mejuto Villa , L. Mereni (9) , M. Merzougui (5) , R. Metzdorff (7) , A. Miani , C. Michel (9) , L. Milano , A. Miller , E. Milotti , O. Minazzoli (5) , Y. Minenkov , M. Montani , F. Morawski , B. Mours (12) , F. Muciaccia , A. Nagar (13) , I. Nardecchia , L. Naticchioni , J. Neilson , G. Nelemans , C. Nguyen (2) , D. Nichols , S. Nissanke , F. Nocera , G. Oganesyan , C. Olivetto , G. Pagano , G. Pagliaroli , C. Palomba , P.T.H. Pang , F. Pannarale , F. Paoletti , A. Paoli , D. Pascucci , A. Pasqualetti , R. Passaquieti , D. Passuello , B. Patricelli , A. Perego , M. Pegoraro , C. Périgois (4) , A. Perreca , S. Perriès (8) , K.S. Phukon , O.J. Piccinni , M. Pichot (5) , M. Piendibene , F. Piergiovanni , V. Pierro , G. Pillant , L. Pinard (9) , I.M. Pinto , K. Piotrzkowski , W. Plastino , R. Poggiani , P. Popolizio , E.K. Porter (2) , M. Prevedelli , M. Principe , G.A. Prodi , M. Punturo , P. Puppo , G. Raaijmakers , N. Radulesco (5) , P. Rapagnani , M. Razzano , T. Regimbau (4) , L. Rei , P. Rettegno , F. Ricci , G. Riemenschneider , F. Robinet (3) , A. Rocchi , L. Rolland (4) , M. Romanelli (6) , R. Romano , D. Rosińska , P. Ruggi , O.S. Salafia , L. Salconi , A. Samajdar , N. Sanchis-Gual , E. Santos (5) , B. Sassolas (9) , O. Sauter (4) , S. Sayah (9) , D. Sentenac , V. Sequino , A. Sharma , M. Sieniawska , N. Singh , A. Singhal , V. Sipala , V. Sordini (8) , F. Sorrentino , M. Spera , C. Stachie (5) , D.A. Steer (2) , G. Stratta , A. Sur , B.L. Swinkels , M. Tacca , A.J. Tanasijczuk , E.N. Tapia San Martin , S. Tiwari , M. Tonelli , A. Torres-Forné , I. Tosta E Melo , F. Travasso , M.C. Tringali , A. Trovato (2) , K.W. Tsang , M. Turconi (5) , M. Valentini , N. van Bakel , M. van Beuzekom , J.F.J. van den Brand , C. van den Broeck , L. van Der Schaaf , M. Vardaro , M. Vasúth , G. Vedovato , D. Verkindt (4) , F. Vetrano , A. Viceré , J.Y. Vinet (5) , H. Vocca , R. Walet , M. Was (4) , A. Zadrożny , T. Zelenova , J.P. Zendri , Henning Vahlbruch , Moritz Mehmet , Harald Lück , Karsten Danzmann

1 iLM - SOPRANO - iLM - Spectroscopies optiques des matériaux verres, amorphes et à nanoparticules
2 APC (UMR_7164) - AstroParticule et Cosmologie
3 LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
4 LAPP - Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules
5 ARTEMIS - Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux
6 FOTON - Institut des Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON
7 LKB [Collège de France] - Laboratoire Kastler Brossel
8 IP2I Lyon - Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
9 LMA - Laboratoire des matériaux avancés
10 LAGRANGE - Joseph Louis LAGRANGE
11 ESPCI Paris - Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris
12 IPHC - Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien
13 IHES - Institut des Hautes Études Scientifiques

Current interferometric gravitational-wave detectors are limited by quantum noise over a wide range of their measurement bandwidth. One method to overcome the quantum limit is the injection of squeezed vacuum states of light into the interferometer’s dark port. Here, we report on the successful application of this quantum technology to improve the shot noise limited sensitivity of the Advanced Virgo gravitational-wave detector. A sensitivity enhancement of up to 3.2±0.1  dB beyond the shot noise limit is achieved. This nonclassical improvement corresponds to a 5%–8% increase of the binary neutron star horizon. The squeezing injection was fully automated and over the first 5 months of the third joint LIGO-Virgo observation run O3 squeezing was applied for more than 99% of the science time. During this period several gravitational-wave candidates have been recorded.

Keywords: Gravitation and Astrophysics; noise: quantum; gravitational radiation detector: interferometer; neutron star: binary; vacuum state; detector: sensitivity; injection; squeezed state; VIRGO; gravitational radiation; sensitivity; enhancement; LIGO

Domains: Astrophysics [astro-ph]; Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]

F. Acernese, M. Agathos, L. Aiello, A. Allocca, A. Amato, et al.. Increasing the Astrophysical Reach of the Advanced Virgo Detector via the Application of Squeezed Vacuum States of Light. Phys.Rev.Lett., 2019, 123 (23), pp.231108. ⟨10.1103/PhysRevLett.123.231108⟩. ⟨hal-02416888⟩