Generelt

Kvantsyn: Kan en person se en enkelt foton?

"Jeg tilbragte megen tid i mørket i kandidatskolen. Ikke kun fordi jeg studerede kvanteoptikområdet - hvor vi normalt behandler en partikel af lys eller en foton på samme tid. Men også fordi i min forskning var måleinstrumentet øjnene. Jeg studerede, hvordan folk opfatter de mindste mængder lys, og jeg blev selv det første testemne hver gang, "siger Rebecca Holmes, fysiker ved Los Alamos National Laboratory. Hendes arbejde, som du nu vil læse om, blev bl.a. udgivet af Fysik Verden og Applied Optics. Næste - fra den første person.

Se fotonen

Jeg har udført disse eksperimenter i et rum på størrelse medtoilet på ottende etage i psykologi afdeling af University of Illinois, arbejder sammen med min kandidat konsulent Pavel Kvyat og psykologen Ranciao Francis Wong. Rummet var udstyret med specielle tykke gardiner og en lukket dør for at opnå total mørke. I seks år tilbragte jeg utallige timer i dette rum og sad i en ubehagelig stol med hovedet på min hage for at hvile og koncentrere sig om svage, små blink og venter på små blink fra den mest nøjagtige lyskilde, der nogensinde blev oprettet for at studere menneskesyn. . Mit mål var at beregne, hvordan jeg opfatter lyslamper fra et par hundrede fotoner til kun en.

At være individuelle lyspartikler, fotonertilhører kvantemekanikens verden - et sted, der kan virke helt anderledes end det kendte univers. Fysikprofessorer fortæller eleverne helt seriøst, at en elektron kan være to steder på samme tid (quantum superposition) eller at måle en foton kan øjeblikkeligt påvirke en anden foton, der ligger langt væk og ikke har nogen fysisk forbindelse (kvanteforstyrrelse). Måske tager vi disse utrolige ideer så tilfældigt, fordi de på ingen måde passer ind i vores daglige eksistens. En elektron kan være to steder på samme tid, men en fodbold er det ikke.

Men fotoner er kvantepartikler, som menneskerkan opfatte direkte. Eksperimenter med individuelle fotoner kan føre til, at kvanteverdenen bliver synlig, og vi bliver ikke nødt til at vente - nogle eksperimenter kan allerede udføres med eksisterende teknologier. Øjet er en unik biologisk måleenhed, og dens anvendelse åbner et fantastisk forskningsområde, hvor vi ikke engang ved, hvad vi kunne finde. Undersøgelsen af ​​det, vi ser når fotoner er i en superpositionsstat, kan ændre vores forståelse af grænsen mellem kvante og klassiske verdener, mens den menneskelige observatør endda kan deltage i at teste de mærkelige virkninger af quantum entanglement.

Det menneskelige visuelle system virker overraskendegod som en kvante detektor. Det er et netværk af nerver og organer, fra øjnene til hjernen, som forvandler lys til billeder, som vi opfatter. Mennesker og andre slægtninge blandt hvirveldyr har to hovedtyper af levende lysdetektorer: stænger og kegler. Disse fotoreceptorceller er placeret i nethinden, det lysfølsomme lag på bagsiden af ​​øjet. Kegler giver farvesyn, men de har brug for et klart lys til arbejde. Stængerne kan kun ses i sort og hvid, men de indstiller til nattesyn og bliver mest følsomme efter en halv time i mørket.

Stængerne er så følsomme, at de kanaktiver en foton. Én foton af synligt lys bærer kun et par elektron-volt af energi. (Selv en flyvende myg har titusindvis af elektron-volt kinetisk energi). Kaskadkæden af ​​reaktioner og loopbacken i tangen forstærker dette lille signal til et målbart elektrisk respons på neurons sprog.

Vi ved at sticks er i stand til at fange selven foton, fordi det elektriske svar fra staven til en foton blev målt i laboratoriet. Det, der var ukendt indtil for nylig, var spørgsmålet: Disse små signaler passerer gennem resten af ​​det visuelle system og tillader observatøren at se noget eller filtreres ud i form af støj og går tabt. Spørgsmålet er svært, fordi de nødvendige værktøjer til verifikation simpelthen ikke eksisterede. Lyset, der udsendes fra overalt, fra sol til neonlys, er bare en tilfældig strøm af fotoner, som regn falder fra himlen. Der er ingen måde at nøjagtigt forudsige, når næste foton vil blive vist, eller hvor mange specifikke fotoner der vil vises i et givet tidsinterval. Uanset hvor svagt lyset vil være, sikrer denne fakta ikke, at observatøren faktisk kun ser en foton - han kan se to eller tre.

Problemet med foton tilfældighed

I løbet af de sidste 75 år eller deromkring forskerekom op med kloge måder at omgå problemet med tilfældige fotoner. Men i slutningen af ​​1980'erne dannede et nyt felt kaldet kvanteoptik et fantastisk værktøj: en kilde til enkeltfotoner. Det var en helt ny type lys, som verden aldrig havde set før, og det gav forskere mulighed for at producere nøjagtigt en foton ad gangen. I stedet for regn fik vi en pipette.

I dag er der mange opskrifter til oprettelseindividuelle fotoner, herunder fangede atomer, kvantepunkter og defekter i diamantkrystaller. Min favorit opskrift er spontan parametrisk spredning med faldende frekvens. For at gøre dette skal du tage laseren og sende den til beta-bariumboratkrystallen. Inden i krystal er laserfotoner spontant opdelt i to datterfotoner. Et nyfødt par datter fotoner vises i den anden ende af krystallen, der danner en Y-form. Det andet trin: Tag en af ​​datterens fotoner og send den til en enkelt foton detektor, som vil "piknet", når en foton er detekteret. Da datterfotoner altid er dannet parvis, vil denne knibs angive, at der er nøjagtig en foton i den anden ende af formular Y, klar til brug i eksperimentet.

Der er et andet vigtigt trick at lære.single photon vision. Bare at sende en foton til en observatør og spørge "Nå, så du?" - Dette er et forkert eksperiment, fordi en person ikke vil være i stand til at besvare dette spørgsmål objektivt. Vi kan ikke lide at sige ja, hvis vi ikke er sikre på det, men det er svært at være sikker på et så lille signal. Støj i det visuelle system - som kan producere fantom blinker selv i komplet mørke - tillader også forstyrrelser. Det ville være bedst at spørge observatøren, hvilken af ​​de to alternativer ville han foretrække. I vores eksperimenter vælger vi tilfældigt hvor du skal sende en foton - til venstre eller højre for observatørens øje - og i hver test spurgte de: "Venstre eller højre?". Hvis observatøren kan svare på dette spørgsmål bedre end bare at forsøge at gætte (hvilket ville give 50% nøjagtighed i bedste fald), ved vi, at han ser noget. Dette kaldes eksperimentdesign med tvunget valg og bruges ofte i psykologi.

I 2016, et forskningsteam fra Wien underVejledningen fra fysikeren Alipasha Vaziri fra Rockefeller University i New York brugte et lignende eksperiment til at vise, at en menneskelig observatør kunne reagere på et tvunget valg med en foton bedre end at forsøge at gætte ved en tilfældighed og således overbevisende viste at en person virkelig kan se en foton. Ved hjælp af en kilde til individuelle fotoner baseret på spontan parametrisk spredning og udformning af et tvunget valgeksperiment skabte forskere to mulige eksperimenter, der kan bringe kvanteforskydning til det menneskelige perceptionsområde: en test ved hjælp af superpositionstilstanden og den såkaldte Bell-test med nonlocality og human observator .

Superposition er et unikt quantum koncept. Kvantpartikler - for eksempel fotoner - beskrives ved sandsynligheden for, at den fremtidige dimension finder dem på et bestemt sted. Derfor, selv før måling, mener vi, at de kan være i to (eller flere) steder på samme tid. Denne idé gælder ikke blot for partiklernes placering, men også for andre egenskaber, såsom polarisation, som refererer til orienteringen af ​​planet, hvorved partiklerne formerer sig i form af bølger. Måling fører til, at partiklerne synes at "kollapse", falde sammen i en tilstand eller en anden, men ved aldrig præcis, hvordan eller hvorfor sammenbrud opstår.

Det menneskelige visuelle system giver nytinteressante måder at undersøge dette problem på. En simpel, men uhyggelig test ville være, om folk opfatter forskellen mellem en foton i en tilstand af overlejring og en foton på et bestemt sted. Fysikere har været interesseret i dette spørgsmål i mange år, og de har tilbudt en lang række tilgange - men for nu skal vi overveje kilden til individuelle fotoner, der er beskrevet ovenfor, som leverer fotonet til venstre eller højre side af observatørens øje.

For det første kan vi levere en foton tilsuperpositioner af venstre og højre positioner - bogstaveligt talt på to steder på samme tid - og spørg observatøren om at fortælle hvilken side ifølge hans mening fotonen dukkede op. For at beregne eventuelle forskelle i opfattelsen af ​​superposition og tilfældigt gætværk mellem "venstre" og "højre", vil eksperimentet inkludere en kontroltestgruppe, hvor fotonet faktisk sendes til venstre eller lige til højre.

Oprettelse af en superpositionstilstand er enkel.en del af. Vi kan opdele fotonet i en lige overlejring af venstre og højre positioner ved hjælp af en polariserende strålesplitter, en optisk komponent, som transmitterer og reflekterer lys afhængigt af polarisation. Selv almindeligt vinduesglas er i stand til dette - så du kan se både din refleksion og hvad der ligger bag glasset. Strålesplittere gør det simpelthen pålideligt, med en forudbestemt chance for transmission og refleksion.

Standard kvantemekanik forudsiger detOverlejringen af ​​venstre og højre positioner bør ikke bære nogen forskel for observatøren sammenlignet med en foton, der tilfældigt flyver til venstre eller højre. Før du når øjet, vil overlejringen af ​​venstre og højre position sandsynligvis falde sammen på den ene side eller den anden så hurtigt, at ingen vil bemærke. Men mens ingen vil udføre et sådant eksperiment, ved vi ikke helt sikkert. Eventuelle statistisk signifikante forskelle i forholdet mellem personer der rapporterer blændinger til venstre eller højre i en superposition vil være uventede - og det kan betyde, at vi ikke ved noget om kvantemekanik. Observatøren kan også blive bedt om at beskrive den subjektive oplevelse af opfattelsen af ​​fotoner i overlejring. Og igen skal der ifølge standard kvantemekanik ikke være nogen forskel - men hvis det gør det, kan det føre til ny fysik og en bedre forståelse af problemet med kvantemålinger.

Kan du se indviklede partikler?

Observatører kunne også tage testen.Et andet interessant begreb kvantemekanik: entanglement. De indviklede partikler har en kvante tilstand og opfører sig som om de er sammenkoblede, uanset hvor langt de er fra hinanden.

Bell test, opkaldt efter den irske fysikerJohn S. Bell, dette er en kategori af eksperimenter, der viser, at kvantekonflikt overtræder nogle af vores naturlige forestillinger om virkeligheden. I Bells test viser målinger af et par indviklede partikler resultater, som ikke kan forklares af nogen teori, der overholder princippet om lokalrealisme. Lokal realisme er et par tilsyneladende åbenbare antagelser. Den første er lokalitet: Ting, der ligger langt fra hinanden, kan ikke påvirke hinanden hurtigere end signalet bevæger sig mellem dem (og relativitetsteorien fortæller os, at denne hastighed er lysets hastighed). Det andet er realisme: ting i den fysiske verden har altid specifikke egenskaber, selvom de ikke måles og ikke interagerer med noget andet.

Kernen i Bell-testen er, at to er givetpartikler, der interagerer med hinanden og bliver forvirrede, hvorefter vi adskiller dem og tager målinger af hver. Vi udfører flere typer målinger - siger måling af polarisering i to forskellige retninger - og enes om, hvilken der skal tages "tilfældigt", så de to partikler ikke kan "koordinere" resultaterne på forhånd. (Det lyder underligt, men når det kommer til kvanteverdenen bliver alting underligt). Forsøget gentages mange gange, og nye parpartikler gør det muligt at akkumulere et statistisk resultat. Lokal realisme pålægger en streng matematisk grænse for, hvor stærkt resultaterne mellem to partikler skal korrelere, hvis de ikke er forbundet på en eller anden bizar måde. I snesevis af tests udført af Bell blev denne grænse overtrådt, hvilket viser, at kvantemekanik ikke advarer lokalitet, realisme eller begge dele.

Entanglede fotoner foretrækkes sædvanligvis blandtpartikler i Bells test, og målinger af overtrædelser af lokalrealisme er lavet ved hjælp af elektroniske single-foton detektorer. Men hvis folk kan se enkelte fotoner, kan observatøren erstatte en af ​​disse detektorer, der spiller en direkte rolle i afprøvningen af ​​lokalrealisme.

Hensigtsmæssigt kan spontan parametrisk transformation også anvendes til fremstilling af indviklede fotoner.

Hvorfor har vi brug for sådanne eksperimenter? Ud over udelukkelsesfaktoren er der alvorlige videnskabelige grunde. Grunden til, at og hvordan superpositionen falder sammen med genereringen af ​​et bestemt resultat, er stadig en af ​​fysikens største mysterier. Test af kvantemekanik ved hjælp af et nyt, unikt, måle-klar apparat - det menneskelige visuelle system - kunne udelukke visse teorier. Især er der en række teorier om makrorealisme, hvoraf det følger, at der endnu ikke er en åben fysisk proces, hvilket altid fører til, at en superposition af store genstande (som øjenkugler og katte) kollapser meget hurtigt. Dette ville betyde, at overlejring af store genstande er næsten umuligt - og ikke usandsynligt. Nobelpristageren, fysiker Anthony Leggett fra University of Illinois, udviklede aktivt test af sådanne teorier. Hvis eksperimenter med overlejring med deltagelse af det menneskelige visuelle system viste en klar afvigelse fra standardkvantemekanikken, ville dette vise sig, at makrorealisme er ganske signifikant.

At tænke kun, hvor meget interessant følger af hver mærkelig konsekvens af kvantemekanik - og hvor mange vi stadig skal opdage. Du kan læse om alt dette i vores sted i Zen.