Development of an ultrasensitive technique for optical characterization measurements

Abstract

We review the mathematical structure used in quantum mechanics (namely vector spaces) to show how the property of non-separability arises. In this context, non-separability is called quantum entanglement, and we explore some of its history and the consequences of this concept. Based on a mathematical discussion, we also explore non-separability in the context of classical optics, which recently sparked interest due to the finding that entanglement-like correlations can arise even with classical fields. Weak measurements are then introduced as an application of non-separability, where the entanglement created by a weak interaction is manipulated to amplify the measured value. Finally, we propose an experimental implementation of a weak valued beam deflection measurement, capable of measuring small values of the nonlinear refractive index through the weak valued amplification. In addition to this latter amplification, we also found a dependence of our signal with the beam’s waist, which for a Gaussian beam is tantamount to an amplification with the propagation distance.

Revisamos a estrutura matemática utilizada na mecânica quântica (principalmente espaços vetoriais) para mostrar como a propriedade de não-separabilidade emerge. Neste contexto, não-separabilidade é chamada de emaranhamento quântico, e exploramos um pouco de sua história e as consequências desse conceito. Baseando-se na discussão matemática, também exploramos não-separabilidade no contexto de óptica clássica, o que recentemente despertou interesse pelo achado que correlações similares às do emaranhamento podem ocorrer mesmo com campos clássicos. Medidas fracas são então introduzidas como uma aplicação de não-separabilidade, onde o emaranhamento criado por uma interação fraca é manipulada para amplificar o valor medido. Enfim, propomos uma implementação experimental de uma medida de desvio de feixe utilizando valores fracos, capaz de medir pequenos valores do índice de refração não-linear através da amplificação de valores fracos. Além desta amplificação, encontramos uma dependência do sinal com a cintura do feixe, o que é equivalente a uma amplificação dependente da distância de propagação para feixes gaussianos.