Квантовое зрение: может ли человек узреть отдельный фотон?

    «Я провела не мало времени в мгле в аспирантуре. Не совсем только поэтому, что я изучала область квантовой оптики — где мы привычно имеем дело с одной крупицей света, либо фотоном, сразу. Да и поэтому, что в моих изучениях инвентарем измерений были очи. Я изучала, как только люди воспринимают мелкие количества света, и сама становилась первой испытуемой всякий раз», — ведает Ребекка Холмс, физик Государственной лаборатории Лос-Аламоса. Ее работа, об которой вы ныне прочитаете, существовала размещена Physics World and Applied Optics, посреди иных мест. Дальше — от первого личика.

    Квантовое зрение: может ли человек узреть отдельный фотон?

    Узреть фотон

    Я проводила эти опыты в комнате размером с туалет на восьмом этаже отделения психологии Вуза штата Иллинойс, работая наряду с моим выпускником-консультантом Павлом Квятом и психологом Рансяо Фрэнсис Вонгом. Место существовало оборудовано особыми плотными шторами и закрытой дверью для заслуги тотальной мглы. В течение шести лет я проводила бессчетное количество часов в данной комнате, сидя в неловком кресле, положа голову на подбородок для акцента, сосредоточившись на мерклых, крохотных вспышках и ждя крохотных вспышек от самого четкого родника света, который когда-либо образовывался для научные исследования людского зрения. Моя миссию заключалась в фолиант, дабы подсчитать, как только я воспринимаю вспышки света от пары сотен фотонов перед началом всего только единого.

    Будучи персональными частичками света, фотоны принадлежат миру квантовой механики — месту, которое может появиться совсем непохожим на знаменитую нам Вселенную. Профессоры физики рассказывают студентам полностью всерьез, что электрон возможно в двух пространствах сразу (квантовая суперпозиция) либо что измерение единого фотона может одномоментно воздействовать на альтернативный фотон, который присутствует далековато не имеет физического стыки (квантовая запутанность). Может быть, мы принимаем эти неописуемые идеи эдак халатно, так как они никаким образом и не вписываются в наше повседневное существование. Электрон возможно в двух пространствах сразу, а уж футбольный мяч — нет.

    Однако фотоны — это же квантовые крупицы, кои люди умеют принимать конкретно. Опыты с отдельными фотонами умеют привести к тамошнему, что квантовый мир станет зримым, и нам и не придется ожидать — некоторые опыты уже можно провести с существующими технологиями. Очей — это же неповторимое био прибор измерения, и его пользование раскрывает пред нами изумительную область исследовательских работ, в каких мы даже и не знаем, что могли бы определить. Изучение тамошнего, что мы лицезреем, когда фотоны присутствуют в состоянии суперпозиции, может сконфигурировать наше осознание границы меж квантовым и традиционным мирами, в то время как только человек-наблюдатель даже сумеет поучаствовать в испытании странноватых последствий квантовой запутанности.

    Визуальная система человека ишачит на удивление ладно как только квантовый сенсор. Это же паутину нервишек и органов, от глазных яблок к головному мозгу, которая преображает свет в изображения, кои мы воспринимаем. Люди и альтернативные родственники посреди позвоночных имеют два главных типа живых сенсоров света: палочки и колбочки. Эти фоторецепторные клеточки присутствуют в сетчатке, светочувствительном слое в задней части глазного яблока. Колбочки предлагают цветное зрение, однако им же нужен ярчайший свет для работы. Палочки умеют созидать исключительно в черно-белом, однако настраиваются на ночное зрение и стают более чувствительными опосля получаса, проведенного в мгле.

    Палочки так чувствительны, что них можно активировать одним фотоном. Один фотон зримого света переносит всего несколько электрон-вольт энергии. (Даже у парящего комара десятки млрд электрон-вольт кинетической энергии). Каскадная цепь реакций и оборотная петля в палочке увеличивает этот крохотный сигнал перед началом измеримого электромагнитного отклика на языке нейронов.

    Мы знаем, что палочки способны улавливать даже один фотон, так как электронный отклик палочки перед началом единого фотона измерялся в лаборатории. Что оставалось безизвестным перед началом недавнешних пор, эдак это же вопросец: эти крохотные сигналы проходят сквозь остальную зрительную систему и дозволяют наблюдающему что-то созидать либо же отфильтровываются в образе шума и теряются. Вопросец непростой, так как необходимых инструментов для проверки просто и не существовало. Свет, который испускается отовсюду, от Солнца перед началом неоновых огней, это же всего только произвольный поток фотонов, как будто дождик, падающий с неба. Нет никакого метода определенно спрогнозировать, когда покажется последующий фотон, либо сколько непосредственно фотонов покажется в данный временной интервал. Непринципиально, как бесцветным будет свет, сей факт и не дозволяет убедиться, что человек-наблюдатель на деле лицезреет только один фотон — он может созидать два либо три.

    Неполадка случайности фотонов

    За крайние 75 лет либо подле тамошнего ученые выдумали хитрые методы обойти неурядицу произвольных фотонов. Однако в финале 1980-х новенькая область под заглавием квантовая оптика породила умопомрачительный инструмент: родник одиночных фотонов. Это же был совсем новейший тип света, коего мир и не видывал до этого, и он предоставил ученым вероятность осуществлять ровно один фотон мгновенно. Заместо дождика мы получили пипетку.

    Сейчас существуют огромное количество рецептов сотворения отдельных фотонов, включая оккупированные атомы, квантовые точки и недостатки в кристаллах алмаза. Мой излюбленный рецепт — это спонтанное параметрическое рассеяние с снижением частоты. Для сего надо взять лазер и обратить его на кристалла бората бета-бария. Снутри кристалла фотоны лазера спонтанно расщепляются на два дочерних фотона. Новорожденная пара дочерних фотонов возникает на альтернативном финале кристалла, образуя Y-форму. Второй этап: взять один из дочерних фотонов и выслыть его в сенсор одиночных фотонов, который «пикнет» при обнаружении фотона. Так как дочерние фотоны все время образуются парами, этот писк скажет об фолиант, что бытует ровно один фотон на альтернативном финале формы Y, доделанный для пользования в опыте.

    Еще есть один важнейший трюк для исследования однофотонного зрения. Ординарно выслыть один фотон наблюдающему и спросить «ну что, заметил?» — это же ошибочно возведенный опыт, так как человек и не сумеет ответить на этот вопросец беспристрастно. Мы и не любим твердить «да», ежели и не убеждены, однако в этаком крохотном сигнале тяжело быть уверенным. Шум в визуальной системе — которая может осуществлять фантомные вспышки даже в тотальной мгле — а также прибавляет помех. Идеальнее всего существовало бы спросить наблюдающего, какую из двух альтернатив он предпочел бы. В наших опытах мы случаем избираем, куда отправить фотон — в левую либо правую часть очи наблюдающего — и в каждом испытании спрашивали: «Левая либо правая?». Ежели наблюдающий может ответить на этот вопросец предпочтительнее, чем ординарно пытаясь угадать (что отдало бы в наилучшем случае 50% точность), мы знаем, что он что-то лицезреет. Это же именуется художественный дизайн опыта с принудительным выбором и он частенько применяется в психологии.

    В 2016 году исследовательская группа из Вены под управлением физика Алипаша Вазири из Вуза Рокфеллера в Нью-Йорке употребляла схожий опыт, дабы отобразить, что человек-наблюдатель был в силах отвечать на принужденный выбор с одним фотоном предпочтительнее, чем пытаясь угадать случаем, и таким макаром внушительно продемонстрировала, что человек вправду в силах созидать один фотон. Используя родник отдельных фотонов на базе спонтанного параметрического рассеяния и художественный дизайн опыта с принужденным выбором, ученые сделали два потенциальных опыта, кои умеют вывести квантовую странность в область людского восприятия: испытание с внедрением состояния суперпозиции и эдак именуемый «тест Белла» с нелокальностью и человеком-наблюдателем.

    Суперпозиция — неповторимое квантовое понятие. Квантовые крупицы — к примеру, фотоны — описываются вероятностью тамошнего, что будущее измерение отыщет них в конкретном месте. Потому, гораздо перед началом измерения, мы полагаем, что они умеют быть в двух (либо наиболее) пространствах сразу. Эта идея применяется не совсем только к местоположению частиц, да и иным свойствам, этаким как только поляризация, которая относится к ориентацию плоскости, вдоль которой крупицы распространяются в форме волн. Измерение приводит к тамошнему, что крупицы вроде бы «коллапсируют», схлопываются в одно состояние либо альтернативное, однако ни разу и не знает определенно, как только либо посему происходит коллапс.

    Визуальная система человека предоставляет новейшие достойные внимания методы научные исследования данной трудности. Один простейший, однако жутковатый тест состоял бы в фолиант, воспринимают ли люди разницу меж фотоном в состоянии суперпозиции и фотоном в заядлом месте. Физиков заинтересовывал этот вопросец не мало лет и они давали кучу подходов — однако сейчас давайте анализировать родник отдельных фотонов, описанный чуть повыше, который доставляет фотон в левую либо правую часть очи наблюдающего.

    Во-первых, мы можем доставить фотон в суперпозиции левой и правой позиции — практически в двух пространствах сразу — и попросить наблюдающего дать знать, с какой же стороны, по его воззрению, возник фотон. Дабы высчитать любые разницы в восприятии состояния суперпозиции и произвольных предположений меж «слева» и «справа», опыт будет включать контрольную группу тестовых испытаний, в какой фотон на деле будет посылаться ординарно слева либо ординарно справа.

    Сделать состояние суперпозиции — это же элементарная часть. Мы можем поделить фотон на равную суперпозицию левой и правой позиции, используя поляризационный светоделитель, оптический ингридиент, который пропускает и отражает свет зависимо от поляризации. На это же способно даже обыкновенное оконное стекло — поэтому вы сможете созидать как только свое отражение, эдак и то, что за стеклом. Светоделители ординарно проделывают это же накрепко, с заблаговременно конкретным шансом пропускания и отражения.

    Обычная квантовая механика предвещает, что суперпозиция левой и правой позиций и не обязана нести никакой различия для наблюдающего по сопоставлению с фотоном, который произвользым образом прилетает слева либо справа. Перед началом заслуги очи суперпозиция левой и правой позиций скорее всего схлопнется на одной либо обратной стороне медали эдак резво, что никто сего и не увидит. Однако пока что никто и не проведет этакий опыт, мы и не узнаем наверное. Любые статистически важные разницы в соотношении граждан, кои докладывают об вспышках слева либо справа в суперпозиции будут внезапными — и умеют означать, что мы чего-то и не знаем об квантовой механике. Наблюдающего можно а также попросить обрисовать личный эксперимент восприятия фотонов в суперпозиции. И снова же, согласно обычной квантовой механике, никакой различия быть и не обязано — но, ежели она будет, это же может привести к новейшей физике и улучшению осознания трудности квантовых измерений.

    Можно ли узреть запутанные крупицы?

    Люди-наблюдатели а также могли бы принять испытание альтернативный увлекательной концепции квантовой механики: запутанности. Запутанные крупицы владеют одним квантовым состояниям и ведут себя эдак, как будто сопряжены меж собой, независимо от тамошнего, как только далековато присутствуют друг от друга.

    Испытания Белла, нареченные в честь ирландского физика Джона С. Белла, это же категория тестов, доказывающих, что квантовая запутанность нарушает некие из наших естественных представлений об действительности. В тесте Белла измерения нескольких запутанных частиц отображают результаты, кои и не умеют быть объяснены какой-нибудь теорией, которая подчиняется принципу внутрисетевого реализма. Внутрисетевой реализм — это же пара, казалось бы, тривиальных догадок. Первое — это локальность: вещи, кои присутствуют далековато друг от друга, и не умеют повлиять друг на друга скорее, чем путешествует сигнал меж ними (и теория относительности дает подсказку нам, что эта скорость — скорость света). Второе — это реализм: вещи в физическом мире все время имеют объективные характеристики, даже ежели и не измеряются не ведут взаимодействие с чем-нибудь гораздо.

    Сущность теста Белла состоит в том, что даны две крупицы, кои ведут взаимодействие меж собой и запутываются, после этого мы них разделяем и проводим измерения каждой. Мы проводим некоторое количество видов измерений — скажем, измерение поляризации в двух различных направлениях — и договариваемся, какое из их проводить «случайно», эдак дабы две крупицы и не могли «согласовать» результаты заблаговременно. (Звучит удивительно, однако когда речь входит об квантовом мире, все становится странноватым). Опыт повторяется не мало раз и новейшие нескольких частиц дозволяют накопить статистический итог. Внутрисетевой реализм накладывает серьезный математический предел на то, как только очень результаты меж двумя частичками обязаны коррелировать, ежели и не сопряжены некоторым необычным образом. В десятках проведенных тестах Белла этот предел был нарушен, доказывая, что квантовая механика и не подчиняется локальности, реализму либо им же обоим.

    Запутанные фотоны привычно предпочитают посреди частиц в тестах Белла, и измерения нарушения внутрисетевого реализма выполняются с помощью электрических однофотонных сенсоров. Однако ежели люди умеют созидать отдельные фотоны, наблюдающий мог бы поменять один из этаких сенсоров, играя непринужденную участие в проверке внутрисетевого реализма.

    Комфортно, что спонтанное параметрическое преобразование а также можно применять для получения запутанных фотонов.

    Для чего надобны этакие опыты? Кроме фактора исключения, существуют и суровые научные факторы. Причина тамошнего, посему и как только состояние суперпозиции схлопывается с генерацией конкретного результата, это же все очередная из величайших тайн физики. Проверка квантовой механики при помощи новенького, неповторимого, доделанного к измерениям аппарата — визуальной системы человека — могла бы исключить конкретные теории. А именно, существуют ряд теорий об макрореализме, из которых вытекает, что существуют пока что и не открытый физический процесс, который все время приводит к тамошнему, что суперпозиция больших объектов (вроде глазных яблок и котов) схлопывается максимально резво. Это же означало бы, что суперпозиция больших объектов почти невозможна — а уж и не маловероятна. Нобелевский лауреат, физик Энтони Леггетт из Вуза Иллинойса интенсивно разрабатывал испытания схожих теорий. Если б опыты с суперпозицией при участии визуальной системы человека продемонстрировали точное отклонение от обычной квантовой механики, это же обосновало бы, что макрореализм полностью существенен.

    Поразмыслить лишь, сколько увлекательного вытекает из каждого странноватого следствия квантовой механики — и сколько нам гораздо лишь предстоит найти. Обо всем этаком вы сможете почитать и у нас в Дзене.