L'un des résultats fondamentaux de la cosmologie inflationniste est que les perturbations tensorielles de l'espace-temps, similaires à la structure à grande échelle de notre Univers, proviennent des fluctuations quantiques pendant l'époque inflationnaire. La création et l'amplification des ondes gravitationnelles primordiales générées par l'inflation se trouvent au carrefour où la mécanique quantique rencontre la cosmologie. Ainsi, détecter leur nature quantique, en particulier leur nature comprimée, non seulement ouvre la voie à la recherche de l'essence quantique des ondes gravitationnelles, mais peut également fournir une source d'information jusqu'alors inaccessible sur l'Univers primitif. Dans ce travail, nous présentons une enquête complète sur l'interaction entre les ondes gravitationnelles quantiques et le champ électromagnétique censé sonder l'espace-temps quantique. En utilisant le cadre d'analogie du milieu optique, nous récupérons non seulement les résultats habituels d'un détecteur interférométrique typique en termes de décalage de phase, mais nous pouvons également promouvoir l'enquête à une véritable mécanique quantique, où l'application du langage optique quantique bien connu et des systèmes analogues aide à comprendre l'interaction onde électromagnétique-onde gravitationnelle de près. En particulier, nous évaluons la variance quadrature du champ électromagnétique et démontrons l'impossibilité de constater la nature quantique des ondes gravitationnelles basée sur les renaissances de la compression optique. Au contraire, nous montrons que les ondes gravitationnelles primordiales induisent une décohérence du champ électromagnétique et ruinent les corrélations temporelles après une échelle de temps caractéristique, qui dépend des paramètres cosmologiques, à savoir l'indice inflationnaire et le rapport tensoriel à scalaire. De plus, l'apparition de bandes latérales dans le spectre optique peut être vue comme une signature de la nature comprimée des ondes gravitationnelles relictes. De plus, nous promouvons l'idée d'utiliser les corrélations spatiales de la lumière comme un nouvel outil pour contraindre le fond des ondes gravitationnelles. En particulier, nous montrons comment les données de taille angulaire décalage vers le rouge d'un ensemble de quasars, mesurées par les interféromètres à très longue base, peuvent fournir une contrainte exquise sur le rapport tensoriel à scalaire. |
One of the fundamental outcomes of the inflationary cosmology is that tensorial perturbations of spacetime, similar to the large-scale structure of our Universe, originate from quantum fluctuations during the inflationary epoch. Creation and amplification of inflationary-generated primordial gravitational waves lies in the middle of the crossroad where quantum mechanics meet cosmology. Thus, detecting their quantumness, especially their squeezed nature, not only pave the way to search for quantum essence of gravitational waves, but also may provide a hitherto inaccessible source of information about the early Universe. In this work, we present a comprehensive investigation of the interaction between quantum gravitational waves and electromagnetic field that is supposed to probe the quantum spacetime. Using the optical medium analogy framework, we not only recover the usual results of a typical interferometer detector in terms of the phase shift, we may also promote the investigation to a fully quantum mechanical one, where application of the well-known quantum optical language an analogue systems, help understand the electromagnetic-gravitational wave interaction in a close-up. In particular, we assess the quadrature variance of the electromagnetic field and demonstrate the impossibility of witnessing quantum nature of gravitational waves based on the revivals of optical squeezing. On the contrary, we show that primordial gravitational waves induce decoherence of the electromagnetic field and ruin temporal correlations after a characteristic time scale, which depends on the cosmological parameters, namely the inflationary index and the tensor to scalar ratio. Moreover, the apparition of side bands in the optical spectrum may be viewed as a signature of the squeezed nature of relic gravitational waves. On top of that, we promote the idea of using spatial correlations of light as a new tool to constrain the gravitational wave background. In particular, we show how the angular size-redshift data of a set of quasars, measured by the very long baseline interferometers, may provide exquisite constraint on the tensor to scalar ratio. |