Next generation nonclassical light sources for gravitational wave detectors Stefan Ast, Christoph Baune, Jan Gniesmer, Axel Schönbeck, Christina Vollmer, Moritz Mehmet, Henning Vahlbruch, Hartmut Grote, Lisa Kleybolte, Alexander Khalaidovski and Roman Schnabel Institut für Laserphysik, Universität Hamburg Albert-Einstein-Institut, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover Vielen Dank für die einleitenden Worte. Meine Doktorarbeit bestand aus zwei großen Themengebieten, die hier auch schon am untertitel ersichtlich sind. Zum einen ging es um die Erzeugung breitbandig gequetschter lichtfelder und zum anderen um die Erzeugung von gequetschtem Licht mit Hilfe des kaskadierten Kerr Effekts. Rencontres de Moriond 2015

The GEO 600 squeezed light source -Im ersten teil gehts um breitbandige Quantenzustände -motivation hierfür ist QKD -Herstellung 3 Experimente vorstellen - zwei unterschiedliche Ansätze - im dritten Experiment : Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit beschäftigt mit dem kaskadierten Kerr Effekt lange Tradition Seit 2006 versuch gequetschtes Licht zu erzeugen SFB neues Design überlegt Geschafft. -Die motivation hierfür ist QKD auf die ich in Einleitung eingehe -Anschließend erklären wie man solche Quantenzustände mit hoher BW herstellt Und 3 Experimente vorstellen die ich in diesem zusammenhang durchgeführt habe: In den ersten beiden Experimenten habe ich zwei unterschiedliche Ansätze zur Erzeugung von breitbandig gequetschtem Licht untersucht Und im dritten Experiment ging es dann um die Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der Kerr Effekt hat eine lange Tradition am Institut , seit bla versuchen wir hier mit diesem Effekt gequetschtes Licht zu erzeugen, SFB, habe neues Design überlegt und enlich ist es geschafft. Ich werde drei Experimente vorstellen: - eine Quetschlichtquelle ohne Quetschlichtresonator - eine monolithische Quetschlichtquelle mit hohem FSR - Erzeugung von verschränktem Licht mit GHz Bandbreite Das zweite große Themengebiet wird sich mit der Erzeugung von gequetschtem Licht mittels des kaskadierten Kerr effekts befassen. Dabei werde ich zunächst erläutern, warum Kerr gequetschtes Licht interessant ist. Ich werde vorstellen, wie ein neuartiges Design zur erzeugung und detektion von Kerr gequetschtem Licht realisiert wurde. Anschliessend werde ich das Experiment vorstellen und die ersten Messungen von gequetschtem Licht, das durch den kaskadierten Kerr effekt erzeugt wurde, präsentieren The LIGO Scientific Collaboration, “A gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit”, Nature Physics 7 (2011)

The GEO 600 squeezed light source Duty cycle: 85% (2011-2015) Max. 3.7 dB -Im ersten teil gehts um breitbandige Quantenzustände -motivation hierfür ist QKD -Herstellung 3 Experimente vorstellen - zwei unterschiedliche Ansätze - im dritten Experiment : Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit beschäftigt mit dem kaskadierten Kerr Effekt lange Tradition Seit 2006 versuch gequetschtes Licht zu erzeugen SFB neues Design überlegt Geschafft. -Die motivation hierfür ist QKD auf die ich in Einleitung eingehe -Anschließend erklären wie man solche Quantenzustände mit hoher BW herstellt Und 3 Experimente vorstellen die ich in diesem zusammenhang durchgeführt habe: In den ersten beiden Experimenten habe ich zwei unterschiedliche Ansätze zur Erzeugung von breitbandig gequetschtem Licht untersucht Und im dritten Experiment ging es dann um die Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der Kerr Effekt hat eine lange Tradition am Institut , seit bla versuchen wir hier mit diesem Effekt gequetschtes Licht zu erzeugen, SFB, habe neues Design überlegt und enlich ist es geschafft. Ich werde drei Experimente vorstellen: - eine Quetschlichtquelle ohne Quetschlichtresonator - eine monolithische Quetschlichtquelle mit hohem FSR - Erzeugung von verschränktem Licht mit GHz Bandbreite Das zweite große Themengebiet wird sich mit der Erzeugung von gequetschtem Licht mittels des kaskadierten Kerr effekts befassen. Dabei werde ich zunächst erläutern, warum Kerr gequetschtes Licht interessant ist. Ich werde vorstellen, wie ein neuartiges Design zur erzeugung und detektion von Kerr gequetschtem Licht realisiert wurde. Anschliessend werde ich das Experiment vorstellen und die ersten Messungen von gequetschtem Licht, das durch den kaskadierten Kerr effekt erzeugt wurde, präsentieren The LIGO Scientific Collaboration, “A gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit”, Nature Physics 7 (2011)

Einstein Telescope I – artistic layout M Punturo et al, “The Einstein Telescope: a third-generation gravitational wave observatory”, Class. Quantum Grav. 27 (2010)

Einstein Telescope II – Interferometer designs 1550 nm M Punturo et al, “The Einstein Telescope: a third-generation gravitational wave observatory”, Class. Quantum Grav. 27 (2010)

High conversion efficiency second harmonic generation Ast et al. “High-efficiency frequency doubling of continuous-wave laser light“; Optics Letters 36 (2011) No. 17 Rencontres de Moriond 2015

Improve SHG conversion efficiency -Im ersten teil gehts um breitbandige Quantenzustände -motivation hierfür ist QKD -Herstellung 3 Experimente vorstellen - zwei unterschiedliche Ansätze - im dritten Experiment : Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit beschäftigt mit dem kaskadierten Kerr Effekt lange Tradition Seit 2006 versuch gequetschtes Licht zu erzeugen SFB neues Design überlegt Geschafft. -Die motivation hierfür ist QKD auf die ich in Einleitung eingehe -Anschließend erklären wie man solche Quantenzustände mit hoher BW herstellt Und 3 Experimente vorstellen die ich in diesem zusammenhang durchgeführt habe: In den ersten beiden Experimenten habe ich zwei unterschiedliche Ansätze zur Erzeugung von breitbandig gequetschtem Licht untersucht Und im dritten Experiment ging es dann um die Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der Kerr Effekt hat eine lange Tradition am Institut , seit bla versuchen wir hier mit diesem Effekt gequetschtes Licht zu erzeugen, SFB, habe neues Design überlegt und enlich ist es geschafft. Ich werde drei Experimente vorstellen: - eine Quetschlichtquelle ohne Quetschlichtresonator - eine monolithische Quetschlichtquelle mit hohem FSR - Erzeugung von verschränktem Licht mit GHz Bandbreite Das zweite große Themengebiet wird sich mit der Erzeugung von gequetschtem Licht mittels des kaskadierten Kerr effekts befassen. Dabei werde ich zunächst erläutern, warum Kerr gequetschtes Licht interessant ist. Ich werde vorstellen, wie ein neuartiges Design zur erzeugung und detektion von Kerr gequetschtem Licht realisiert wurde. Anschliessend werde ich das Experiment vorstellen und die ersten Messungen von gequetschtem Licht, das durch den kaskadierten Kerr effekt erzeugt wurde, präsentieren

Experimental setup – High conversion second harmonic generation measurement

High efficiency second harmonic generation Power Conversion: 1.1 W (1550 nm) ⟶ 1.05 W (775 nm) Power meter error: 6 % total ⟶ inaccurate! 9

SHG pump depletion

Doubly-resonant squeezed light source at 1550 nm Kleybolte, Master Thesis 2013 Kommen wir nun zum ersten Experiment, das ich in meiner Doktorarbeit realisiert habe. Und zwar eine Quetschlichtquelle ohne einen Resonator bei der gequetschten Wellenlänge. Dieses Experiment wurde ebenfalls im Journal Optics Letters veröffentlicht. Rencontres de Moriond 2015

The GEO 600 squeezed light source -Im ersten teil gehts um breitbandige Quantenzustände -motivation hierfür ist QKD -Herstellung 3 Experimente vorstellen - zwei unterschiedliche Ansätze - im dritten Experiment : Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit beschäftigt mit dem kaskadierten Kerr Effekt lange Tradition Seit 2006 versuch gequetschtes Licht zu erzeugen SFB neues Design überlegt Geschafft. -Die motivation hierfür ist QKD auf die ich in Einleitung eingehe -Anschließend erklären wie man solche Quantenzustände mit hoher BW herstellt Und 3 Experimente vorstellen die ich in diesem zusammenhang durchgeführt habe: In den ersten beiden Experimenten habe ich zwei unterschiedliche Ansätze zur Erzeugung von breitbandig gequetschtem Licht untersucht Und im dritten Experiment ging es dann um die Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der Kerr Effekt hat eine lange Tradition am Institut , seit bla versuchen wir hier mit diesem Effekt gequetschtes Licht zu erzeugen, SFB, habe neues Design überlegt und enlich ist es geschafft. Ich werde drei Experimente vorstellen: - eine Quetschlichtquelle ohne Quetschlichtresonator - eine monolithische Quetschlichtquelle mit hohem FSR - Erzeugung von verschränktem Licht mit GHz Bandbreite Das zweite große Themengebiet wird sich mit der Erzeugung von gequetschtem Licht mittels des kaskadierten Kerr effekts befassen. Dabei werde ich zunächst erläutern, warum Kerr gequetschtes Licht interessant ist. Ich werde vorstellen, wie ein neuartiges Design zur erzeugung und detektion von Kerr gequetschtem Licht realisiert wurde. Anschliessend werde ich das Experiment vorstellen und die ersten Messungen von gequetschtem Licht, das durch den kaskadierten Kerr effekt erzeugt wurde, präsentieren

Doubly resonant squeezing resonator @ 1550 nm 1 MHz 130 kHz

Squeezing measurement in the audio band 12.3 dB Squeezing at 1550 nm & strong enough for third generation GW detectors Mehmet et al. “Squeezed light at 1550 nm with a quantum noise reduction of 12.3 dB“; Optics Express 19 (2011) No. 25

Frequency conversion of squeezed light Baune et al. arXiv:1503.02008 Rencontres de Moriond 2015

DECIGO & squeezing @ 532 nm 532 nm Sum Frequency Generation Kawamura et al, “The Japanese space gravitational wave antenna: DECIGO”, Class. Quantum Grav. 28 (2011)

Experimental setup – frequency conversion of squeezed light

Squeezing measurement @ 532 nm 5 dB

Summary High-efficiency SHG 95% conversion efficiency @ 1550 nm Doubly resonant squeezed light source Maximum of 10 dB @ 1 MHz 7 dB @ 130 kHz Squeezed light for 3. generation GWD 12.3 dB @ 1550 nm Frequency up-conversion of squeezed light 5 dB @ 532 nm

Thank you for your attention!

Generation of squeezed light Squeezed bandwidth Parametric down conversion Squeezing bandwidth Pump power enhancement Squeezing enhancement FSR   Problem: Rω limits the bandwidth! Standardmässig wird gequetschtes Licht über den Prozess der optisch parametrischen Verstärkung in einem nichtlinearem Medium erzeugt. Dieses Medium ist ein Kristall, der sich in einem Resonator befindet. Ein Pumpfeld bei der doppelten Frequenz der Quetschwellenlänge erzeugt hier das gequetschte Feld. Bei den Quetschlichtquellen der Crypto Jungs wurde eine relativ hohe Reflektivität und damit Finesse der gequetschten Wellenlänge verwendet, um das Feld zu überhöhen und die Pumpwellenlänge hatte nahezu keine Finesse. Dies ist gut, um hohe Squeezingwerte zu erzielen, allerdings limitiert der Resonator bei der Quetschwellenlänge auch die Bandbreite. Diese Bandbreite ist nämlich gegeben aus dem Verhältnis des freien Spektralbereichs des Resonators (siehe Links) und der Finesse, die von den Spiegelreflektivitäten bei der Squeezingwellenlänge abhängt.

Squeezed light source without squeezing resonator S. Ast et al, Continuous-wave nonclassical light with gigahertz squeezing bandwidth, Optics letters 37, 2367 (2012) Kommen wir nun zum ersten Experiment, das ich in meiner Doktorarbeit realisiert habe. Und zwar eine Quetschlichtquelle ohne einen Resonator bei der gequetschten Wellenlänge. Dieses Experiment wurde ebenfalls im Journal Optics Letters veröffentlicht.

GHz bandwidth quantum states Outline GHz bandwidth quantum states Quantum Key Distribution High-bandwidth quantum state generation GHz bandwidth squeezed light GHz bandwidth entangled light Experiment Squeezed light via the cascaded Kerr effect An Odyssey to Kerr squeezing New experimental approach Cascaded Kerr squeezing Experiment -Im ersten teil gehts um breitbandige Quantenzustände -motivation hierfür ist QKD -Herstellung 3 Experimente vorstellen - zwei unterschiedliche Ansätze - im dritten Experiment : Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit beschäftigt mit dem kaskadierten Kerr Effekt lange Tradition Seit 2006 versuch gequetschtes Licht zu erzeugen SFB neues Design überlegt Geschafft. -Die motivation hierfür ist QKD auf die ich in Einleitung eingehe -Anschließend erklären wie man solche Quantenzustände mit hoher BW herstellt Und 3 Experimente vorstellen die ich in diesem zusammenhang durchgeführt habe: In den ersten beiden Experimenten habe ich zwei unterschiedliche Ansätze zur Erzeugung von breitbandig gequetschtem Licht untersucht Und im dritten Experiment ging es dann um die Erzeugung von breitbandig verschränktem Licht. Der Kerr Effekt hat eine lange Tradition am Institut , seit bla versuchen wir hier mit diesem Effekt gequetschtes Licht zu erzeugen, SFB, habe neues Design überlegt und enlich ist es geschafft. Ich werde drei Experimente vorstellen: - eine Quetschlichtquelle ohne Quetschlichtresonator - eine monolithische Quetschlichtquelle mit hohem FSR - Erzeugung von verschränktem Licht mit GHz Bandbreite Das zweite große Themengebiet wird sich mit der Erzeugung von gequetschtem Licht mittels des kaskadierten Kerr effekts befassen. Dabei werde ich zunächst erläutern, warum Kerr gequetschtes Licht interessant ist. Ich werde vorstellen, wie ein neuartiges Design zur erzeugung und detektion von Kerr gequetschtem Licht realisiert wurde. Anschliessend werde ich das Experiment vorstellen und die ersten Messungen von gequetschtem Licht, das durch den kaskadierten Kerr effekt erzeugt wurde, präsentieren

Experimental setup – Squeezed light at 1550 nm

Kerr squeezing loss estimation Based on 85 mW pump power at 358 MHz Estimated loss contributions 9.5 dB Type Detection efficiency Homodyne efficiency 0.978 PD quantum efficiency 0.94 Optical path loss 0.88-0.92 Bow-tie internal loss 0.547 SEMC transmission 0.887 Total 0.39-0.41 61% -2 dB Bow-tie internal loss High 775 nm generation 85 mW pump power 4 mW LO power Measurements are dark-noise corrected About 61% total detection loss 25