Une étude, dont les conclusions intitulées «Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO» sont publiées dans la revue Nature et disponibles en pdf, rapporte que la collaboration LIGO est parvenue à plusieurs résultats spectaculaires dont l'un relie notre échelle macroscopique directement aux encore mystérieuses fluctuations du vide quantique.

Relevons tout d'abord que le vide quantique d'un système est le niveau d'énergie minimal correspondant à des fluctuations quantiques contraintes par les relations de Heisenberg. Ces inégalités de Heisenberg se traduisent «par un produit de la dispersion statistique de l'amplitude et de la phase d'une onde élémentaire», de sorte qu'il «n'est pas possible d'avoir simultanément une valeur infiniment précise pour l'amplitude et la phase d'une onde». Ainsi, «pour les sources de lumière habituelle, on obtient une limite sur les mesures» «qui sont comme affectées d'un bruit irréductible»: c'est la «limite quantique standard (standard quantum limit ou SQL en anglais)».

Rappelons d'autre part, que «le passage des ondes gravitationnelles fait varier la longueur du chemin de faisceaux laser» du détecteur LIGO, provoquant «des variations au niveau de la figure d'interférence des deux faisceaux». Cependant, comme cette «variation de longueur est plus petite que le milliardième de la taille d'un atome», pour la mesurer «il faut s'assurer de maîtriser et de diminuer autant que possible toutes les sources de bruits possibles», notamment «celles affectant les miroirs de 40 kg, sur lesquels se réfléchissent les faisceaux laser».

Ces miroirs «doivent être dans le vide car le bombardement des molécules à l'air libre suffirait à faire des perturbations bien trop importantes pour pouvoir mesurer un signal» et «ils doivent également être sur des suspensions qui les isolent le plus possible du bruit sismique, qui pourrait les faire vibrer». De plus, «ils sont construits de manière à n'être sensibles qu'à des fréquences beaucoup plus petites que la fréquence du signal gravitationnel qu'ils sont utilisés pour détecter».

Pour mesurer le plus finement possible le signal des ondes gravitationnelles, il est, en outre «nécessaire de mesurer les fluctuations quantiques du champ électromagnétique de la lumière laser». Or, il se trouve qu'en utilisant des faisceaux laser pour faire de la métrologie de haute précision, on peut faire appel à «des états quantiques spéciaux dits 'comprimés' (squeezed states) qui, tout en ne violant pas les principes de la mécanique quantique, permettent de faire certaines mesures», en dépassant les contraintes de la limite quantique standard (SQL) des sources de lumière ordinaires.

Au bout du compte, il a été possible non seulement de «réduire les effets du bruit quantique pour passer sous la SQL», mais aussi de parvenir, pour la première fois, «à mettre en évidence l'effet des fluctuations quantiques de la lumière sur des objets aussi macroscopiques que des miroirs de 40 kg». A titre de comparaison indiquons que le bruit quantique dans les détecteurs de LIGO «est suffisant pour déplacer ces grands miroirs par oscillation sur des distances de l'ordre de seulement de 10^-20 m»: comme la taille d'un atome d'hydrogène est d'environ 10-10 m, «ce déplacement des miroirs est à la taille d'atome d'hydrogène ce que la taille d'un atome d'hydrogène est pour nous».