Квантовата визия: може ли човек да види един фотон?

- Прекарах много време в тъмното в дипломирането. Не само защото изучавах областта на квантовата оптика - където обикновено се занимаваме с една частица светлина, или с фотон, в същото време. Но и защото в моето изследване инструментът за измерване беше очите. Изучавах как хората възприемат най-малкото количество светлина и аз самият станах първият тест всеки път - казва Ребека Холмс, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос. Нейната работа, за която сега ще прочетете, е публикувана от Physics World и Applied Optics, наред с други места. След това - от първия човек.

Виж фотона

Аз проведох тези експерименти в стая с размертоалетна на осмия етаж на катедрата по психология на Университета на Илинойс, работеща заедно с моя дипломиран консултант Павел Квят и психологът Рансиао Франсис Вонг. Пространството беше оборудвано със специални дебели завеси и затворена врата, за да се постигне пълна тъмнина. В продължение на шест години прекарах безброй часове в тази стая, седнал в неудобен стол, с глава на брадичката ми за почивка, съсредоточена върху неясни, малки вълни и чакащи миниатюрни проблясъци от най-точния източник на светлина, който някога е бил създаден, за да изучава човешкото зрение. , Целта ми беше да изчисля, как възприемам светкавици от няколко стотин фотона до един.

Като отделни частици светлина, фотонипринадлежат към света на квантовата механика - място, което може да изглежда напълно различно от познатата Вселена. Професорите по физика казват на учениците абсолютно сериозно, че един електрон може да бъде на две места едновременно (квантова суперпозиция) или че измерването на един фотон може незабавно да повлияе на друг далечен фотон и няма физическа връзка (квантово заплитане). Може би ние приемаме тези невероятни идеи толкова небрежно, защото те по никакъв начин не се вписват в нашето ежедневно съществуване. Електронът може да бъде на две места едновременно, но футболната топка не е такава.

Но фотоните са квантови частици, които хоратаможе да възприема директно. Експериментите с отделни фотони могат да доведат до факта, че квантовият свят ще стане видим и няма да се налага да чакаме - някои експерименти вече могат да бъдат извършени със съществуващите технологии. Окото е уникално биологично устройство за измерване и неговото използване отваря невероятна област на изследване, в която ние дори не знаем какво можем да намерим. Изследването на това, което виждаме, когато фотоните са в състояние на суперпозиция, може да промени нашето разбиране за границата между квантовия и класическия свят, докато човешкият наблюдател може дори да участва в изпитването на странните ефекти на квантовото заплитане.

Човешката визуална система работи изненадващодобър като квантов детектор. Това е мрежа от нерви и органи, от очните ябълки до мозъка, която превръща светлината в образи, които възприемаме. Хората и другите роднини сред гръбначните животни имат два основни вида живи светлинни детектори: пръчки и конуси. Тези фоторецепторни клетки се намират в ретината, фоточувствителния слой в задната част на очната ябълка. Конусите дават цветно зрение, но те се нуждаят от ярка светлина, за да работят. Прътовете могат да се видят само в черно и бяло, но се настройват за нощно виждане и стават най-чувствителни след половин час прекарване в тъмното.

Прътовете са толкова чувствителни, че могатактивирайте един фотон. Един фотон от видимата светлина носи само няколко електронаволта на енергията. (Дори летящ комар има десетки милиарди кинетична енергия на електрон-волт). Каскадната верига от реакции и петличката в пръчката усилват този малък сигнал до измерим електрически отговор в езика на невроните.

Знаем, че пръчките са способни дори да уловятедин фотон, защото електрическият отговор на пръчката към един фотон беше измерен в лабораторията. Това, което оставаше неизвестно доскоро, беше въпросът: тези малки сигнали минават през останалата част на зрителната система и позволяват на наблюдателя да види нещо или се филтрира под формата на шум и се губи. Въпросът е труден, защото необходимите инструменти за проверка просто не съществуват. Светлината, която се излъчва отвсякъде, от Слънцето до неоновите светлини, е просто случаен поток от фотони, като дъжд, падащ от небето. Няма начин да се предскаже точно кога ще се появи следващият фотон, или колко специфични фотони ще се появят в даден интервал от време. Колкото и да е мрачна светлината, този факт не гарантира, че наблюдателят всъщност вижда само един фотон - той може да види две или три.

Проблемът на фотонната случайност

През последните 75 години или така учениизлезе с умни начини за заобикаляне на проблема с случайни фотони. Но в края на 80-те години новото поле, наречено квантова оптика, поражда удивително средство: източник на единични фотони. Това беше съвсем нов вид светлина, която светът никога не е виждал досега, и дава възможност на учените да произвеждат точно по един фотон наведнъж. Вместо дъжд имахме пипета.

Днес има много рецепти за създаванеотделни фотони, включително хванати атоми, квантови точки и дефекти в диамантените кристали. Любимата ми рецепта е спонтанно параметрично разсейване с намаляваща честота. За да направите това, вземете лазера и го изпратете в кристала на бета-бариевия борат. Вътре в кристала, лазерните фотони спонтанно се разделят на два дъщерни фотона. Новородената двойка дъщерни фотони се появява в другия край на кристала, образувайки Y-образна форма. Втората стъпка: вземете един от дъщерните фотони и го изпратете на единичен фотонен детектор, който ще "пикне", когато се открие фотон. Тъй като дъщерните фотони винаги се образуват по двойки, този писк ще покаже, че има точно един фотон в другия край на формата Y, готов за използване в експеримента.

Има още един важен трик, който трябва да научите.единично фотонно виждане. Просто изпращайки един фотон на наблюдател и питайки „добре, видя ли?“ - това е грешен експеримент, защото човек няма да може да отговори на този въпрос обективно. Не обичаме да казваме „да“, ако не сме сигурни, но е трудно да сме сигурни за такъв малък сигнал. Шумът в зрителната система - който може да произведе фантомни мигания дори в пълна тъмнина - също добавя смущения. Най-добре би било да попитате наблюдателя коя от двете алтернативи би предпочела. В нашите експерименти ние случайно избираме къде да изпратим фотон - в лявата или дясната страна на окото на наблюдателя - и във всеки тест попитаха: "Ляво или дясно?". Ако наблюдателят може да отговори на този въпрос по-добре, отколкото просто да се опитва да отгатне (което в най-добрия случай би дало 50% точност), знаем, че той вижда нещо. Това се нарича експериментален дизайн с принудителен избор и често се използва в психологията.

През 2016 г. изследователски екип от ВиенаРъководството на физика Алипаша Вазири от университета Рокфелер в Ню Йорк използва подобен експеримент, за да покаже, че един човешки наблюдател е в състояние да отговори на принудителен избор с един фотон по-добре, отколкото да се опитва да отгатне случайно, и по този начин убедително е показал, че човек наистина може да види фотон. Използвайки източник на индивидуални фотони, базирани на спонтанно параметрично разсейване и проектиране на експеримент с принудителен избор, учените създадоха два възможни експеримента, които могат да донесат квантова странност в областта на човешкото възприятие: тест, използващ състоянието на суперпозиция и т.нар. ,

Суперпозицията е уникална квантова концепция. Квантовите частици - например фотоните - се описват с вероятността бъдещото измерение да ги намери на определено място. Ето защо, дори преди измерването, ние вярваме, че те могат да бъдат в две (или повече) места едновременно. Тази идея се отнася не само до местоположението на частиците, но и до други свойства, като поляризация, която се отнася до ориентацията на равнината, по която се разпространяват частиците под формата на вълни. Измерването води до факта, че частиците сякаш "колапсират", срутват се в едно или друго състояние, но никога не знаят точно как и защо се случва сривът.

Човешката визуална система осигурява новаинтересни начини за изследване на този проблем. Един прост, но зловещ тест би бил дали хората възприемат разликата между фотон в състояние на суперпозиция и фотон в определено място. Физиците се интересуват от този въпрос от много години и са предложили куп подходи - но засега нека разгледаме източника на отделните фотони, описани по-горе, който доставя фотона в лявата или дясната страна на наблюдателя.

Първо, можем да доставим фотонсуперпозиции на лявата и дясната позиция - буквално на две места едновременно - и да помолят наблюдателя да каже на коя страна, по негово мнение, се е появил фотонът. За да изчислим разликите в възприемането на състоянието на суперпозиция и случайното предположение между “ляво” и “дясно”, експериментът ще включва контролна тестова група, в която фотонът действително ще бъде изпратен само наляво или надясно.

Създаването на състояние на суперпозиция е просто.част от. Ние можем да разделим фотона на еднаква суперпозиция на лявата и дясната позиция с помощта на поляризиращ разделител на лъчи, оптичен компонент, който предава и отразява светлината в зависимост от поляризацията. Дори обикновеното прозоречно стъкло е способно на това - така можете да видите както отражението си, така и това, което е зад стъклото. Разделителите на лъчи просто правят това надеждно, с предварително определен шанс за предаване и отражение.

Стандартната квантова механика предсказва товасуперпозицията на лявата и дясната позиция не трябва да носи никаква разлика за наблюдателя в сравнение с фотон, който случайно лети към ляво или дясно. Преди да достигне до окото, суперпозицията на лявата и дясната позиция е вероятно да се срине от едната или другата страна толкова бързо, че никой няма да забележи. Но докато никой няма да проведе такъв експеримент, няма да знаем със сигурност. Всяка статистически значима разлика в съотношението на хората, които съобщават за факли в ляво или дясно в суперпозиция, ще бъде неочаквана - и може да означава, че не знаем нищо за квантовата механика. На наблюдателя може да бъде поискано да опише субективния опит на възприемането на фотоните в суперпозицията. И отново, според стандартната квантова механика, не би трябвало да има разлика - но ако го направи, то може да доведе до нова физика и по-добро разбиране на проблема с квантовите измервания.

Можете ли да видите сложни частици?

Наблюдателите също биха могли да направят теста.Друга интересна концепция за квантовата механика: заплитане. Заплетените частици имат едно квантово състояние и се държат така, сякаш са свързани помежду си, без значение колко са далеч един от друг.

Бел тестове, кръстен на ирландския физикДжон С. Бел, това е категория експерименти, които доказват, че квантовото преплитане нарушава някои от нашите природни представи за реалността. В теста на Бел измерванията на двойка заплетени частици показват резултати, които не могат да бъдат обяснени с теория, която се подчинява на принципа на местния реализъм. Местният реализъм е двойка привидно очевидни предположения. Първият е локалността: нещата, които са далеч един от друг, не могат да влияят взаимно по-бързо, отколкото сигналът пътува между тях (и теорията на относителността ни казва, че тази скорост е скоростта на светлината). Втората е реализъм: нещата във физическия свят винаги имат специфични свойства, дори ако не са измерени и не взаимодействат с нищо друго.

Същността на теста на Бел е, че две са даденичастици, които взаимодействат помежду си и се объркват, след което ги разделяме и вземаме измервания на всеки. Извършваме няколко вида измервания - да речем, измерването на поляризацията в две различни посоки - и се съгласяваме кой да вземе "случайно", така че двете частици да не могат да “координират” резултатите предварително. (Звучи странно, но когато става въпрос за квантовия свят, всичко става странно). Експериментът се повтаря многократно и новите двойки частици позволяват да се натрупа статистически резултат. Местният реализъм налага стриктна математическа граница за това колко силно трябва да корелират резултатите между две частици, ако не са свързани по някакъв странен начин. В десетки тестове, извършени от Бел, тази граница е нарушена, доказвайки, че квантовата механика не се подчинява на местността, реализма или и на двете.

Обикновено се предпочитат объркани фотоничастици в тестовете на Бел и измервания на нарушения на местния реализъм се правят с електронни еднофотонни детектори. Но ако хората могат да видят отделни фотони, наблюдателят може да замени един от тези детектори, играейки пряка роля в тестването на местния реализъм.

За удобство, спонтанна параметрична трансформация може да се използва и за произвеждане на заплетени фотони.

Защо се нуждаем от такива експерименти? Освен фактора на изключване има и сериозни научни причини. Причината, поради която и как се свива състоянието на суперпозиция с генерирането на определен резултат, е все още една от най-големите загадки на физиката. Тестването на квантовата механика с помощта на нов, уникален, готов за измерване апарат - човешката визуална система - може да изключи някои теории. По-специално, съществуват редица теории за макрореализма, от които следва, че все още няма открит физически процес, който винаги води до факта, че суперпозицията на големи обекти (като очни ябълки и котки) се срива много бързо. Това би означавало, че суперпозицията на големи обекти е почти невъзможна - и не е малко вероятно. Нобелов лауреат, физик Антъни Легет от Университета на Илинойс, активно развиваше тестове на такива теории. Ако експериментите със суперпозиция с участието на човешката визуална система показват ясно отклонение от стандартната квантова механика, това ще докаже, че макрореализмът е доста значителен.

Да се ​​мисли само колко интересно следва от всяка странна последица от квантовата механика - и колко още трябва да открием. Можете да прочетете за всичко това на нашето място в дзен.