Отзыв оппонента Манукина - БПП (Многопараметрическая оптимизация лазерных интерферометрических детекторов гравитационных волн)

Отзыв официального оппонента на диссертацию Ворончева Никиты Викторовича «Многопараметрическая оптимизация лазерных интерферометрических детекторов гравитационных волн», представленную на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики. Создание высокочувствительных детекторов гравитационно-волнового излучения от космических объектов без сомнения является одной из актуальных задач современной физики. Для ее решения существуют и создаются крупные международные исследовательские проекты, в одном из' которых (ЫОО) принимает активное участие научная группа физического факультета МГУ, возглавляемая В. Б. Брагинским.

Именно в ней работал Н. В. Ворончев, занимаясь разработкой различных подходов к увеличению чувствительности лазерных детекторов, основанных на интерферометрических принципах. Результаты этих исследований и легли в основу диссертационной работы Н. В. Ворончева. В силу требуемой высокой точности измерения чувствительность подобных детекторов ограничивается шумами не только классической природы (тепловыми, сейсмическими, градиентно-гравитационными и т.д.), но и принципиально неустранимыми фундаментальными квантовыми флуктуациями амплитуды и фазы используемого для измерения света. Как ожидается, уже в строящихся детекторах удастся достигнуть весьма низкого уровня классического шума, а значит чувствительность этих устройств будет в широкой полосе частот определяться именно квантовыми флуктуациями.

Таким образом, на передний план выходит задача снижения квантового шума и преодоления стандартного квантового предела (СКП), что, однако, вовсе не отменяет актуальности проблемы подавления классических шумов. Поэтому в диссертации Н. В. Ворончева теоретически анализируются свойства и поведение как квантового, так классического шума детектора. При этом автор рассматривает известные схемы приборов, определяя необходимые для увеличения их чувствительности оптимальные параметры, а также предлагает новые конфигурации детекторов. Таким образом, актуальность выбранной темы диссертационного исследования не вызывает сомнений.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, где сформулированы выводы работы, а также списка литературы и приложений, в которые вынесены некоторые таблицы с результатами и подробности аналитических расчетов. Во введении продемонстрированы актуальность и практическая значимость исследований, сформулированы основные цели и задачи исследования„а также выносимые на защиту положения. Показана научная новизна и обоснована достоверность полученных результатов, приведены сведения об их апробации. В первой главе представлен достаточно подробный обзор литературы по теме диссертационного исследования. Автором рассматриваются базовые схемы и основные физические принципы квантовых прецизионных измерений, обсуждаются различные методы увеличения их чувствительности и, в частности, способы снижения квантового шума.

Во второй главе предлагается новый взгляд на проблему шумов в оптомеханических системах. Традиционно отправной точкой исследований в этой области является идея максимально возможного увеличения коэффициента отражения концевых зеркал плеч интерферометра. При этом квантовый шум и классические тепловые флуктуации в отражающих покрытиях пробных тел интерферометра рассматриваются независимо. Однако за счет взаимной связи мощностей этих шумов автором было ясно продемонстрировано, что оптимальное снижение отражающей способности пробных тел (уменьшение числа напыленных на них диэлектрических слоев) не обязательно приводит к однозначному уменьшению чувствительности прибора за счет роста квантовых флуктуаций, связанных с оптическими потерями, но позволяет снизить совместный шумовой фон — сумму квантового шума и теплового шума отражающих покрытий.

На основе многопараметрического численного моделирования был оценен возможный выигрыш чувствительности в рамках предлагаемого подхода. Третья глава состоит из двух разделов, в первом из которых исследуется проявление эффекта отрицательной оптической инерции в двухлучевой схеме детектора Майкельсона. В области низких частот двойная оптическая жесткость в таком режиме позволяет уменьшить инертные массы пробных тел, оставляя при этом эти тела эффективно свободными. Соответствующий рост механической восприимчивости системы будет означать увеличение сигнального смещения под действием той же ожидаемой гравитационной приливной силы. Как следствие, оказалось, что режим отрицательной инерции представляется особо интересным для поиска гравитационных волн от таких источников, как двойные звездные системы, для которых увеличение отношения сигналшум может двукратно превышать соответствующее значение для однолучевого детектора тех же масштабов.

С другой стороны для широкополосного поиска гравитационно-волнового возмущения может быть полезен предложенный во втором разделе третьей главы режим антисимметричных накачек, при котором устанавливается по парная связь между оптическими параметрами используемых лучей. Несмотря на полное взаимное исключение оптических жесткостей, создаваемых отдельными накачками, детектор Май кельсо на в таком режиме проявляет весьма хорошую широкополосную чувствительность. Частотная зависимость полного квантового шума при этом оказывается близка к той, которая характерна для измерителя скорости, основанного, например, на интерферометре Саньяка: в предлагаемом режиме многолучевого детектора Майкельсона за счет использования внутренних квантовых корреляций между всеми накачками существенно снижается эффективный шум обратного влияния.

Это позволяет достичь и даже несколько превзойти СКП. Другой важной особенностью предложенного метода является возможность гибкого изменения спектральной плотности квантового шума прибора за счет использования нескольких пар различным образом настроенных оптических накачек, что само по себе означает реализацию ксилофонной схемы детектора в рамках одного интерферометра. Четвертая глава посвящена исследованию чувствительности гравитационно- волновых детекторов, основанных на интерферометре Саньяка.

В рамках модели, не содержащей ряд традиционных приближений, автором рассматривается поляризационная схема такого устройства, которая по своей структуре наиболее близка к привычному интерферометру Майкельсо на. На основе моделирования квантового шума такого детектора была проведена полная численная оптимизация параметров системы, которая показала, что детектор Саньяка, по сравнению со схемой Майкельсона, существенно менее требователен к качеству фильтрующих резонаторов, осуществляющих фазовую фильтрацию инжектируемых сжатых квантовых состояний света.

А именно, составляющая ширины полосы резонатора, определяемая оптическими потерями может быть увеличена примерно в 10 раз. Кроме того, следует обязательно отметить, что в силу своей широкополосной чувствительности детектор Саньяка даже с вполне реалистичным фильтрующим резонатором способен по уровню квантового шума сравниться с проектом ксилофонной конфигурация двух полноценных детекторов Майкельсона, использующих те же механизмы снижения квантового шума. Полученные в диссертации Н. В.

Ворончева результаты несомненно являются новыми. Их достоверность и обоснованность подтверждается тем, что эти результаты найдены в рамках корректных физических моделей, с привлечением проверенного математического формализма в комбинации с современными вычислительными средствами. Работа Н. В.

Ворончева безусловно важна для модификации уже существующих и проектирования будущих детекторов гравитационных волн, а также представляет интерес для более общих задач, связанных с прецизионными измерениями и оптомеханическими системами. По диссертации можно сделать ряд замечаний: 1.

В третьей главе при анализе системы с анти симметричными накачками предполагается полная взаимная компенсация оптических жесткостей, вносимых различными лучами. Однако это возможно только при строгом выполнении соотношений, связывающих мощности, ширины полос и оптические отстройки, соответствующие различным накачкам. Было бы полезно обсудить также и устойчивость режима к слабому нарушению этих соотношений, которое неизбежно в реальном эксперименте. г 2.

В третьей главе для снижения СКП измерения силы ~'о" и повышения чувствительности детектора предлагается использовать эффект отрицательной оптической инерции, эффективно уменьшающий инертные массы пробных тел, В то яг же время, СКП измерения метрики '~' ослабляется именно с увеличением массы пробных тел, что предполагается реализовывать в будущих детекторах.

Было бы неплохо в работе уделить немного больше внимания этому парадоксу: для этого достаточно отметить, что в формулу для амплитуды приливной силы (1.4) входит никак не изменяемая гравитационная масса пробного тела, тогда как в выражение СКП силы (1.25) — эффективно уменьшаемая инертная масса. Однако должен отметить, что высказанные замечания не меняют общей положительной оценки диссертационной работы Н. В. Ворончева. В целом диссертация Н. В.