Les observatoires d'ondes gravitationnelles évoquent une oreille attentive aux grondements lointains des catastrophes cosmiques. Pour percevoir le faible chuchotement des trous noirs qui fusionnent, les détecteurs d'ondes gravitationnelles utilisent une lumière spécialement préparée, appelée vide comprimé. Cette lumière supprime le bruit quantique naturel, permettant aux instruments de dépasser la limite quantique standard.
Mais cette approche a un talon d'Achille : l'instabilité de phase (autrement dit, le tremblement de l'onde lumineuse) réduit son efficacité. Le vide comprimé fonctionne parfaitement uniquement lorsque les pertes de lumière sont faibles et la phase stable. Or, en réalité, il y a toujours de petites pertes — disons 5% de photons perdus — et du bruit de phase, par exemple 200 milliradians. Dans ces conditions, les auteurs de l'étude ont cherché des états quantiques plus robustes.
Grâce à une optimisation numérique, les scientifiques ont exploré le paysage des pertes et du bruit de phase pour trouver des états surpassant tous les états gaussiens (ordinaires, « en forme de cloche » au sens mathématique). Ils ont identifié trois classes de ces états invisibles : des états proches des états de Fock (à nombre de photons défini), des états proches de la phase cubique, et des états à symétrie de rotation discrète. Avec un nombre moyen de photons dans le faisceau d'entrée d'au plus cinq, ces états non standard offrent un gain allant jusqu'à 2,2 décibels — soit environ 65% de meilleure sensibilité.
Curieusement, l'avantage des états non gaussiens persiste même lorsque l'on utilise la méthode de mesure la plus simple, la détection homodyne (qui mesure essentiellement une quadrature du champ). Cela signifie que la nouvelle approche ne nécessite pas d'équipement très complexe. Les détecteurs du futur pourront capter des signaux encore plus faibles venus des profondeurs de l'Univers, qu'il s'agisse d'ondes gravitationnelles ou d'autre chose.
La lumière comprimée est déjà utilisée dans les installations LIGO et Virgo, et c'est elle qui a permis de détecter les premières ondes gravitationnelles en 2015. Sans elle, le signal de la fusion de trous noirs se serait tout simplement noyé dans le bruit quantique.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, un signal extraterrestre est reçu grâce à un réseau de radiotélescopes ; les nouveaux états quantiques pourraient extraire du bruit cosmique un message bien plus faible.