Γενικά

Κβαντική όραση: μπορεί κάποιος να δει ένα μόνο φωτόνιο;

«Πέρασα πολύ χρόνο στο σκοτάδι στο μεταπτυχιακό σχολείο. Όχι μόνο επειδή μελετούσα το πεδίο της κβαντικής οπτικής - όπου συνήθως ασχολούμαστε με ένα σωματίδιο φωτός ή ένα φωτόνιο ταυτόχρονα. Αλλά και επειδή στην έρευνά μου το όργανο μέτρησης ήταν τα μάτια. Σπούδασα πώς οι άνθρωποι αντιλαμβάνονται τις μικρότερες ποσότητες φωτός και εγώ ο ίδιος έγινα το πρώτο θέμα κάθε φορά ", λέει η Rebecca Holmes, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos. Το έργο της, το οποίο θα διαβάσετε τώρα, δημοσιεύτηκε από το Physics World and Applied Optics, μεταξύ άλλων. Στη συνέχεια - από το πρώτο άτομο.

Δείτε το φωτόνιο

Πραγματοποίησα αυτά τα πειράματα σε ένα δωμάτιο το μέγεθοςWC στον όγδοο όροφο του τμήματος ψυχολογίας του Πανεπιστημίου του Ιλλινόις, σε συνεργασία με τον μεταπτυχιακό μου σύμβουλο Pavel Kvyat και τον ψυχολόγο Ranciao Francis Wong. Ο χώρος ήταν εξοπλισμένος με ειδικές παχιές κουρτίνες και μια κλειστή πόρτα για να επιτευχθεί απόλυτο σκοτάδι. Για έξι χρόνια, πέρασα αμέτρητες ώρες σε αυτό το δωμάτιο, καθισμένοι σε μια άβολη καρέκλα, με το κεφάλι μου στο πηγούνι μου για να ξεκουραστώ, επικεντρώνοντας σε αμυδρές, μικροσκοπικές αναβοσβήνει και περιμένοντας μικροσκοπικές αναβοσβήνειες από την πιο ακριβή πηγή φωτός που δημιουργήθηκε ποτέ για να μελετήσει το ανθρώπινο όραμα. . Ο στόχος μου ήταν να υπολογίσω πώς αντιλαμβάνομαι λάμψεις φωτός από μερικές εκατοντάδες φωτόνια σε ένα μόνο.

Είναι μεμονωμένα σωματίδια φωτός, φωτόνιαανήκουν στον κόσμο της κβαντικής μηχανικής - ένα μέρος που μπορεί να φαίνεται εντελώς διαφορετικό από το γνωστό Σύμπαν. Οι καθηγητές της φυσικής λένε στους μαθητές απολύτως σοβαρά ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα (κβαντική υπέρθεση) ή ότι η μέτρηση ενός φωτονίου μπορεί να επηρεάσει άμεσα ένα άλλο φωτόνιο που είναι μακριά και δεν έχει φυσική σύνδεση (κβαντική εμπλοκή). Ίσως παίρνουμε αυτές τις απίστευτες ιδέες τόσο άνετα, γιατί σε καμία περίπτωση δεν ταιριάζουν στην καθημερινότητά μας. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να είναι σε δύο μέρη την ίδια στιγμή, αλλά μια μπάλα ποδοσφαίρου δεν είναι.

Αλλά τα φωτόνια είναι κβαντικά σωματίδια που ο άνθρωποςμπορεί να αντιληφθεί άμεσα. Τα πειράματα με μεμονωμένα φωτόνια μπορούν να οδηγήσουν στο γεγονός ότι ο κβαντικός κόσμος θα γίνει ορατός και δεν θα πρέπει να περιμένουμε - ορισμένα πειράματα μπορούν ήδη να διεξαχθούν με τις υπάρχουσες τεχνολογίες. Το μάτι είναι μια μοναδική συσκευή βιολογικής μέτρησης και η χρήση του ανοίγει ένα εκπληκτικό πεδίο έρευνας, στο οποίο δεν γνωρίζουμε καν τι μπορούμε να βρούμε. Η μελέτη αυτού που βλέπουμε όταν τα φωτόνια βρίσκονται σε υπερθετική κατάσταση μπορεί να αλλάξει την κατανόησή μας για τα όρια μεταξύ των κβαντικών και των κλασσικών κόσμων, ενώ ο ανθρώπινος παρατηρητής μπορεί ακόμη να συμμετάσχει στη δοκιμή των παράξενων αποτελεσμάτων της κβαντικής εμπλοκής.

Το ανθρώπινο οπτικό σύστημα λειτουργεί εκπληκτικάκαλό ως ανιχνευτής κβάντων. Είναι ένα δίκτυο νεύρων και οργάνων, από τα μάτια μέχρι τον εγκέφαλο, το οποίο μετατρέπει το φως σε εικόνες που αντιλαμβανόμαστε. Οι άνθρωποι και οι άλλοι συγγενείς μεταξύ των σπονδυλωτών έχουν δύο κύριους τύπους ανιχνευτών ζωντανού φωτός: ράβδους και κώνοι. Αυτά τα κύτταρα φωτοϋποδοχέα βρίσκονται στον αμφιβληστροειδή, το φωτοευαίσθητο στρώμα στο πίσω μέρος του βολβού του ματιού. Οι κώνοι δίνουν έγχρωμη όραση, αλλά χρειάζονται ένα λαμπρό φως για να δουλέψουν. Οι ράβδοι μπορούν να φαίνονται μόνο σε μαύρο και άσπρο, αλλά συντονίζονται στη νυχτερινή όραση και γίνονται πιο ευαίσθητοι μετά από μισή ώρα που περνά στο σκοτάδι.

Οι ράβδοι είναι τόσο ευαίσθητες που μπορούνενεργοποιήστε ένα φωτόνιο. Ένα φωτόν ορατού φωτός φέρει μόνο μερικά ηλεκτρόνια ενέργειας. (Ακόμη και ένα ιπτάμενο κουνούπι έχει δεκάδες δισεκατομμύρια ηλεκτρικής ενέργειας ηλεκτρικού κινητήρα). Η αλυσιδωτή αλυσίδα των αντιδράσεων και το loopback στη ράβδο ενισχύουν αυτό το μικροσκοπικό σήμα σε μια μετρήσιμη ηλεκτρική απόκριση στη γλώσσα των νευρώνων.

Γνωρίζουμε ότι τα ραβδιά είναι ικανά να τραβήξουν ακόμηένα φωτόνιο, επειδή η ηλεκτρική απόκριση του ραβδιού σε ένα φωτόνιο μετρήθηκε στο εργαστήριο. Αυτό που παρέμεινε άγνωστο μέχρι πρόσφατα ήταν το ερώτημα: αυτά τα μικροσκοπικά σήματα περνούν από το υπόλοιπο οπτικό σύστημα και επιτρέπουν στον παρατηρητή να δει κάτι ή φιλτράρεται με τη μορφή θορύβου και χάνονται. Το ερώτημα είναι δύσκολο, επειδή τα απαραίτητα εργαλεία για την επαλήθευση απλά δεν υπήρχαν. Το φως που εκπέμπεται από παντού, από τον ήλιο έως τα φώτα νέον, είναι απλώς μια τυχαία ροή φωτονίων, όπως η βροχή που πέφτει από τον ουρανό. Δεν υπάρχει τρόπος να προβλέψουμε με ακρίβεια πότε θα εμφανιστεί το επόμενο φωτόνιο ή πόσες συγκεκριμένα φωτόνια θα εμφανιστούν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Ανεξάρτητα από το μέγεθος του φωτός, αυτό το γεγονός δεν διασφαλίζει ότι ο παρατηρητής βλέπει πραγματικά μόνο ένα φωτόνιο - μπορεί να δει δύο ή τρία.

Το πρόβλημα της τυχαιότητας των φωτονίων

Τα τελευταία 75 χρόνια περίπου οι επιστήμονεςβρήκαν έξυπνους τρόπους για να παρακάμψουν το πρόβλημα τυχαίων φωτονίων. Αλλά στα τέλη της δεκαετίας του 1980, ένα νέο πεδίο που ονομάζεται κβαντική οπτική, δημιούργησε ένα καταπληκτικό εργαλείο: μια πηγή μόνο φωτονίων. Ήταν ένα εντελώς νέο είδος φωτός που ο κόσμος δεν είχε δει ποτέ πριν και έδωσε στους επιστήμονες την ευκαιρία να παράγουν ακριβώς ένα φωτόνιο κάθε φορά. Αντί της βροχής, πήραμε μια πιπέτα.

Σήμερα υπάρχουν πολλές συνταγές για τη δημιουργίαμεμονωμένα φωτόνια, συμπεριλαμβανομένων παγιδευμένων ατόμων, κβαντικές κουκκίδες και ελαττώματα σε κρυστάλλους διαμαντιού. Η αγαπημένη μου συνταγή είναι αυθόρμητη παραμετρική διασπορά με φθίνουσα συχνότητα. Για να το κάνετε αυτό, πάρτε το λέιζερ και στείλτε το στο κρύσταλλο βαρίου βαρίου. Μέσα στον κρύσταλλο, τα φωτόνια λέιζερ χωρίζονται αυθόρμητα σε δύο θυγατρικά φωτόνια. Ένα νεογέννητο ζευγάρι θυγατρικών φωτονίων εμφανίζεται στο άλλο άκρο του κρυστάλλου, σχηματίζοντας ένα σχήμα Υ. Το δεύτερο βήμα: Πάρτε ένα από τα θυγατρικά φωτόνια και στείλτε το σε ένα μόνο ανιχνευτή φωτονίων, ο οποίος θα "piknet" όταν ανιχνευθεί ένα φωτόνιο. Δεδομένου ότι τα θυγατρικά φωτόνια σχηματίζονται πάντοτε σε ζεύγη, αυτό το τσούξιμο θα δείξει ότι υπάρχει ακριβώς ένα φωτόνιο στο άλλο άκρο της φόρμας Υ, έτοιμο προς χρήση στο πείραμα.

Υπάρχει ένα άλλο σημαντικό κόλπο για μάθηση.μεμονωμένη όραση φωτονίων. Απλά στέλνοντας ένα φωτόνιο σε έναν παρατηρητή και ζητώντας "καλά, είδατε;" - αυτό είναι ένα λάθος πείραμα, επειδή ένα άτομο δεν θα μπορέσει να απαντήσει αντικειμενικά σε αυτό το ερώτημα. Δεν μας αρέσει να λέμε ναι αν δεν είμαστε σίγουροι, αλλά είναι δύσκολο να είσαι σίγουρος για ένα τόσο μικρό μήνυμα. Ο θόρυβος στο οπτικό σύστημα - ο οποίος μπορεί να προκαλέσει φανταστικές αναβοσβήνει ακόμη και σε πλήρες σκοτάδι - προσθέτει επίσης παρεμβολές. Θα ήταν καλύτερο να ζητήσετε από τον παρατηρητή ποια από τις δύο εναλλακτικές λύσεις θα προτιμούσε. Στα πειράματά μας, επιλέγουμε τυχαία πού να στείλουμε ένα φωτόνιο - στην αριστερή ή τη δεξιά πλευρά του ματιού του παρατηρητή - και σε κάθε δοκιμή ρώτησαν: "Αριστερά ή δεξιά;". Εάν ο παρατηρητής μπορεί να απαντήσει σε αυτή την ερώτηση καλύτερα από το να προσπαθεί να μαντέψει (που θα έδινε την ακρίβεια κατά 50% στην καλύτερη περίπτωση), γνωρίζουμε ότι βλέπει κάτι. Αυτό ονομάζεται σχεδιασμός πειράματος με αναγκαστική επιλογή και χρησιμοποιείται συχνά στην ψυχολογία.

Το 2016, μια ερευνητική ομάδα από τη Βιέννη κάτω απόηγεσία της φυσικής Alipasha Vaziri στο Πανεπιστήμιο Rockefeller στη Νέα Υόρκη, χρησιμοποίησε ένα παρόμοιο πείραμα για να δείξει ότι ο ανθρώπινος παρατηρητής ήταν σε θέση να ανταποκριθεί στην αναγκαστική επιλογή ενός φωτονίου είναι καλύτερο από το να προσπαθούμε να μαντέψουμε τυχαία, και έτσι έδειξαν σαφώς ότι ο άνθρωπος είναι πραγματικά σε θέση να δει ένα φωτόνιο. Χρησιμοποιώντας την πηγή των μεμονωμένων φωτονίων μέσα από αυθόρμητες παραμετρικές και πειραματικό σχεδιασμό με μια αναγκαστική επιλογή, οι ερευνητές δημιούργησαν δύο πιθανές πειράματα που θα μπορούσε να φέρει την κβαντική παραδοξότητα στην περιοχή της ανθρώπινης αντίληψης: δοκιμή με τη χρήση της κατάστασης της επαλληλίας και το λεγόμενο μη τοπικότητας «τεστ Bella» και το ανθρώπινο παρατηρητή .

Η υπέρθεση είναι μια μοναδική κβαντική έννοια. Τα κβαντικά σωματίδια - για παράδειγμα, τα φωτόνια - περιγράφονται από την πιθανότητα η μελλοντική διάσταση να τα βρει σε ένα συγκεκριμένο μέρος. Επομένως, ακόμη και πριν από τη μέτρηση, πιστεύουμε ότι μπορούν να βρίσκονται σε δύο (ή περισσότερα) μέρη την ίδια στιγμή. Αυτή η ιδέα δεν ισχύει μόνο για τη θέση των σωματιδίων, αλλά και για άλλες ιδιότητες όπως η πόλωση, η οποία αναφέρεται στον προσανατολισμό του επιπέδου κατά μήκος του οποίου τα σωματίδια διαδίδονται με τη μορφή κυμάτων. Η μέτρηση οδηγεί στο γεγονός ότι τα σωματίδια φαίνεται ότι "καταρρέουν", καταρρέουν σε μια κατάσταση ή άλλο, αλλά ποτέ δεν ξέρουν ακριβώς πώς και γιατί συμβαίνει η κατάρρευση.

Το ανθρώπινο οπτικό σύστημα παρέχει νέαενδιαφέρουσες μεθόδους για την έρευνα αυτού του προβλήματος. Μια απλή αλλά τρομακτική δοκιμασία θα ήταν αν οι άνθρωποι αντιλαμβάνονται τη διαφορά μεταξύ ενός φωτονίου σε κατάσταση υπέρθεσης και ενός φωτονίου σε ένα συγκεκριμένο μέρος. Οι φυσικοί ενδιαφέρονται για αυτό το ερώτημα εδώ και πολλά χρόνια και έχουν προσφέρει μια δέσμη προσεγγίσεων - αλλά για την ώρα πρέπει να εξετάσουμε την πηγή των μεμονωμένων φωτονίων, που περιγράφεται παραπάνω, η οποία παραδίδει το φωτόνιο στην αριστερή ή τη δεξιά πλευρά του ματιού του παρατηρητή.

Πρώτον, μπορούμε να παραδώσουμε ένα φωτόνιοτις υπερθέσεις της αριστεράς και της δεξιάς θέσης - κυριολεκτικά σε δύο μέρη την ίδια στιγμή - και ζητήστε από τον παρατηρητή να πει ποια πλευρά, κατά την άποψή του, εμφανίστηκε το φωτόνιο. Για να υπολογίσουμε τυχόν διαφορές στην αντίληψη της κατάστασης υπερβολής και τυχαίων εικασιών ανάμεσα στο "αριστερό" και το "δεξιό", το πείραμα θα περιλαμβάνει μια ομάδα δοκιμής ελέγχου στην οποία το φωτόνιο θα σταλεί στην πραγματικότητα ακριβώς στα αριστερά ή στα δεξιά.

Η δημιουργία μιας κατάστασης υπερβολής είναι απλή.μέρος του. Μπορούμε να διαιρέσουμε το φωτόνιο σε μια ίση υπέρθεση της αριστερής και της δεξιάς θέσης χρησιμοποιώντας έναν διαχωριστή πολωτικής δέσμης, ένα οπτικό στοιχείο που μεταδίδει και αντανακλά το φως ανάλογα με την πόλωση. Ακόμη και τα συνηθισμένα γυάλινα παράθυρα είναι ικανά για αυτό - έτσι μπορείτε να δείτε τόσο την αντανάκλαση σας όσο και το τι είναι πίσω από το γυαλί. Οι διαχωριστές δέσμης απλά κάνουν αυτό αξιόπιστα, με μια προκαθορισμένη πιθανότητα μετάδοσης και ανάκλασης.

Η βασική κβαντομηχανική προβλέπει ότιη υπέρθεση της αριστεράς και της δεξιάς θέσης δεν πρέπει να έχει καμία διαφορά για τον παρατηρητή σε σύγκριση με ένα φωτόνιο που τυχαία πετά προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά. Πριν φθάσει στο μάτι, η υπέρθεση της αριστεράς και της δεξιάς θέσης είναι πιθανό να καταρρεύσει από τη μια πλευρά ή την άλλη τόσο γρήγορα που κανείς δεν θα παρατηρήσει. Αλλά ενώ κανείς δεν θα διεξάγει ένα τέτοιο πείραμα, δεν θα γνωρίζουμε με βεβαιότητα. Οποιαδήποτε στατιστικά σημαντική διαφορά στην αναλογία των ανθρώπων που αναφέρουν φωτοβολίδες αριστερά ή δεξιά σε μια υπέρθεση θα είναι απροσδόκητη - και μπορεί να σημαίνει ότι δεν γνωρίζουμε τίποτα για την κβαντομηχανική. Ο παρατηρητής μπορεί επίσης να ζητηθεί να περιγράψει την υποκειμενική εμπειρία της αντίληψης των φωτονίων σε υπέρθεση. Και πάλι, σύμφωνα με την πρότυπη κβαντομηχανική, δεν θα πρέπει να υπάρχει διαφορά - ωστόσο, αν συμβαίνει αυτό, μπορεί να οδηγήσει σε νέα φυσική και μια καλύτερη κατανόηση του προβλήματος των κβαντικών μετρήσεων.

Μπορείτε να δείτε περίπλοκα σωματίδια;

Οι παρατηρητές θα μπορούσαν επίσης να δοκιμάσουν.Μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδέα της κβαντικής μηχανικής: εμπλοκή. Τα μπλεγμένα σωματίδια έχουν μια κβαντική κατάσταση και συμπεριφέρονται σαν να είναι διασυνδεδεμένα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους.

Bell δοκιμές, το όνομά του από τον Ιρλανδό φυσικόJohn S. Bell, αυτή είναι μια κατηγορία πειραμάτων που αποδεικνύουν ότι η κβαντική εμπλοκή παραβιάζει μερικές από τις φυσικές μας αντιλήψεις για την πραγματικότητα. Στη δοκιμή του Bell, οι μετρήσεις ενός ζευγαριού μπλεγμένων σωματιδίων παρουσιάζουν αποτελέσματα που δεν μπορούν να εξηγηθούν από οποιαδήποτε θεωρία που υπακούει στην αρχή του τοπικού ρεαλισμού. Ο τοπικός ρεαλισμός είναι ένα ζευγάρι φαινομενικά προφανών υποθέσεων. Το πρώτο είναι η τοποθεσία: τα πράγματα που απέχουν πολύ από το άλλο δεν μπορούν να επηρεάσουν ο ένας τον άλλον ταχύτερα από ό, τι το σήμα ταξιδεύει μεταξύ τους (και η θεωρία της σχετικότητας λέει ότι αυτή η ταχύτητα είναι η ταχύτητα του φωτός). Ο δεύτερος είναι ρεαλισμός: τα πράγματα στον φυσικό κόσμο έχουν πάντοτε συγκεκριμένες ιδιότητες, ακόμη και αν δεν μετριούνται και δεν αλληλεπιδρούν με τίποτα άλλο.

Η ουσία του τεστ Bell είναι ότι δίνονταισωματίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και συγχέονται, μετά τα οποία τα διαχωρίζουμε και λαμβάνουμε μετρήσεις από το καθένα. Πραγματοποιούμε διάφορους τύπους μετρήσεων - ας πούμε, τη μέτρηση της πόλωσης σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις - και συμφωνείτε σε ποιο να λάβετε "τυχαία", έτσι ώστε τα δύο σωματίδια να μην μπορούν να "συντονίσουν" τα αποτελέσματα εκ των προτέρων. (Ακούγεται περίεργο, αλλά όταν πρόκειται για τον κβαντικό κόσμο, όλα γίνονται παράξενα). Το πείραμα επαναλαμβάνεται πολλές φορές και νέα ζεύγη σωματιδίων καθιστούν δυνατή τη συσσώρευση στατιστικού αποτελέσματος. Ο τοπικός ρεαλισμός επιβάλλει ένα αυστηρό μαθηματικό όριο στο πόσο έντονα τα αποτελέσματα μεταξύ δύο σωματιδίων πρέπει να συσχετίζονται, αν δεν συνδέονται με κάποιο περίεργο τρόπο. Σε δεκάδες δοκιμές που πραγματοποίησε ο Bell, αυτό το όριο παραβιάστηκε, αποδεικνύοντας ότι η κβαντική μηχανική δεν υπακούει σε τοπικότητα, ρεαλισμό ή και στα δύο.

Ενσωματωμένα φωτόνια προτιμούνται συνήθως μεταξύ τωντα σωματίδια στις δοκιμές του Bell και οι μετρήσεις των παραβιάσεων του τοπικού ρεαλισμού πραγματοποιούνται με ηλεκτρονικούς ανιχνευτές μονοφωνικών φωτονίων. Αλλά αν οι άνθρωποι μπορούν να δουν μεμονωμένα φωτόνια, ο παρατηρητής θα μπορούσε να αντικαταστήσει έναν από αυτούς τους ανιχνευτές, παίζοντας έναν άμεσο ρόλο στη δοκιμή τοπικού ρεαλισμού.

Βολικά, ο αυθόρμητος παραμετρικός μετασχηματισμός μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή εμπλεγμένων φωτονίων.

Γιατί χρειαζόμαστε τέτοια πειράματα; Εκτός από τον παράγοντα αποκλεισμού, υπάρχουν σοβαροί επιστημονικοί λόγοι. Ο λόγος για τον οποίο και πώς καταρρέει η κατάσταση της υπερβολής με τη δημιουργία ενός συγκεκριμένου αποτελέσματος εξακολουθεί να είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής. Η δοκιμή της κβαντομηχανικής με τη βοήθεια μιας νέας, μοναδικής, έτοιμης για μετρήσεις συσκευής - του ανθρώπινου οπτικού συστήματος - θα μπορούσε να αποκλείσει ορισμένες θεωρίες. Συγκεκριμένα, υπάρχουν αρκετές θεωρίες σχετικά με τον μακρο-ρεαλισμό, από τις οποίες προκύπτει ότι δεν υπάρχει ακόμα μια ανοιχτή φυσική διαδικασία, η οποία πάντα καταλήγει σε μια υπερβολή μεγάλων αντικειμένων (όπως τα μάτια και οι γάτες) που καταρρέουν πολύ γρήγορα. Αυτό θα σήμαινε ότι η υπέρθεση μεγάλων αντικειμένων είναι σχεδόν αδύνατη - και δεν είναι απίθανο. Ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Anthony Leggett από το Πανεπιστήμιο του Illinois αναπτύσσει ενεργά δοκιμές τέτοιων θεωριών. Εάν τα πειράματα με την επικάλυψη με τη συμμετοχή του ανθρώπινου οπτικού συστήματος έδειξαν σαφή απόκλιση από την κλασσική μηχανική, αυτό θα απέδειξε ότι ο μακροοικονομισμός είναι αρκετά σημαντικός.

Να σκεφτεί κανείς πόσο ενδιαφέρον έχει από κάθε περίεργη συνέπεια της κβαντικής μηχανικής - και πόσοι ακόμα πρέπει να ανακαλύψουμε. Μπορείτε να διαβάσετε για όλα αυτά στη θέση μας στο Ζεν.