opći

Kvantni vid: može li osoba vidjeti samo jedan foton?

- Proveo sam mnogo vremena u mraku u diplomskoj školi. Ne samo zato što sam proučavao polje kvantne optike - gdje se obično bavimo jednom česticom svjetla, ili fotonom, u isto vrijeme. Ali i zato što je u mom istraživanju instrument mjerenja bio oči. Proučavala sam kako ljudi percipiraju najmanju količinu svjetla, i osobno sam svaki put postao prvi ispitanik - kaže Rebecca Holmes, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos. Njezini radovi, o kojima ćete sada čitati, objavili su, među ostalim, Physics World i Applied Optics. Dalje - od prve osobe.

Vidi foton

Proveo sam ove pokuse u sobi veličineWC na osmom katu psihološkog odjela Sveučilišta Illinois, radeći zajedno s mojim diplomiranim konzultantom Pavelom Kvyatom i psihologom Ranciao Francis Wong. Prostor je bio opremljen posebnim debelim zavjesama i zatvorenim vratima kako bi se postigla potpuna tama. Šest godina proveo sam bezbroj sati u ovoj sobi, sjedeći u neudobnoj stolici, s glavom na bradi za odmor, koncentrirajući se na mutne, sitne bljeskove i čekam male bljeskove iz najpreciznijeg izvora svjetlosti koji je ikada stvoren da proučava ljudski vid. , Moj je cilj bio izračunati kako vidim bljeskove svjetla od nekoliko stotina fotona do samo jednog.

Biti pojedinačne čestice svjetla, fotonipripadaju svijetu kvantne mehanike - mjesto koje može izgledati potpuno drugačije od poznatog svemira. Profesori fizike apsolutno ozbiljno govore studentima da elektron može biti na dva mjesta u isto vrijeme (kvantna superpozicija) ili da mjerenje jednog fotona može trenutno utjecati na drugi foton koji je daleko i nema fizičke veze (kvantno zapletanje). Možda uzimamo ove nevjerojatne ideje tako ležerno, jer se ni na koji način ne uklapaju u naše svakodnevno postojanje. Elektron može biti na dva mjesta u isto vrijeme, ali nogometna lopta nije.

Ali fotoni su kvantne čestice koje ljudimože percipirati izravno. Eksperimenti s pojedinačnim fotonima mogu dovesti do činjenice da će kvantni svijet postati vidljiv, a mi nećemo morati čekati - neki eksperimenti se već mogu provesti s postojećim tehnologijama. Oko je jedinstveni biološki mjerni uređaj, a njegova uporaba otvara nevjerojatno područje istraživanja u kojemu uopće ne znamo što bismo mogli pronaći. Proučavanje onoga što vidimo kada su fotoni u stanju superpozicije mogu promijeniti naše razumijevanje granice između kvantnog i klasičnog svijeta, dok ljudski promatrač može čak sudjelovati u ispitivanju čudnih učinaka kvantne zapletenosti.

Ljudski vizualni sustav iznenađujuće djelujedobar kao kvantni detektor. To je mreža živaca i organa, od očne jabučice do mozga, koja pretvara svjetlost u slike koje opažamo. Ljudi i ostali rođaci među kralježnjacima imaju dvije glavne vrste živih svjetlosnih detektora: štapove i čunjeve. Ove fotoreceptorske stanice nalaze se u mrežnici, fotosenzitivnom sloju u stražnjem dijelu očne jabučice. Češeri daju boju vida, ali im je potrebna jaka svjetlost za rad. Šipke se mogu vidjeti samo u crnoj i bijeloj boji, ali se podešavaju na noćni vid i postaju najosjetljivije nakon pola sata provedenog u mraku.

Šipke su toliko osjetljive da moguaktivirajte jedan foton. Jedan foton vidljive svjetlosti nosi samo nekoliko elektrona-volti energije. (Čak i leteći komar ima desetke milijardi kinetičke energije elektron-volta). Kaskadni lanac reakcija i povratna petlja u štapićima pojačavaju ovaj sićušni signal do mjerljivog električnog odziva u jeziku neurona.

Znamo da su štapići sposobni čak i uhvatitijedan foton, jer je električni odziv štapića na jedan foton izmjeren u laboratoriju. Ono što je do nedavno ostalo nepoznato bilo je pitanje: ovi sićušni signali prolaze kroz ostatak vizualnog sustava i dopuštaju promatraču da vidi nešto ili se filtrira u obliku buke i izgubi se. Pitanje je teško, jer nužni alati za provjeru jednostavno nisu postojali. Svjetlo koje se emitira sa svih strana, od Sunca do neonskih svjetala, samo je slučajni tok fotona, poput kiše koja pada s neba. Ne postoji način da se točno predvidi kada će se pojaviti sljedeći foton, ili koliko će se specifičnih fotona pojaviti u određenom vremenskom intervalu. Koliko god svjetlost bila slaba, ta činjenica ne osigurava da promatrač vidi samo jedan foton - on može vidjeti dva ili tri.

Problem slučajnosti fotona

Tijekom proteklih 75 godina znanstvenicidošao je do pametnih načina za zaobilaženje problema slučajnih fotona. No, krajem 1980-ih, novo polje koje se zove kvantna optika stvorilo je nevjerojatan alat: izvor pojedinačnih fotona. Bio je to potpuno novi tip svjetlosti koji svijet nikada prije nije vidio, a znanstvenicima je pružena prilika da proizvedu točno jedan foton odjednom. Umjesto kiše, dobili smo pipetu.

Danas postoje mnogi recepti za stvaranjepojedinačni fotoni, uključujući uhvaćene atome, kvantne točke i defekte u kristalima dijamanta. Moj omiljeni recept je spontano parametarsko raspršivanje sa smanjenom frekvencijom. Da biste to učinili, uzmite laser i pošaljite ga u kristal beta-barij borata. Unutar kristala, laserski fotoni se spontano razdvajaju na dva kćerna fotona. Novorođeni par kćernih fotona pojavljuje se na drugom kraju kristala, tvoreći Y-oblik. Drugi korak: uzeti jedan od kćeri fotona i poslati ga na jedan foton detektor, koji će "piknet" kada je foton je otkrivena. Budući da su kćeri fotoni uvijek formirani u parovima, taj će škripac pokazati da na drugom kraju oblika Y postoji točno jedan foton, spreman za upotrebu u eksperimentu.

Postoji još jedan važan trik za učenje.vid jednog fotona. Samo poslati jedan foton promatraču i pitajući ga "dobro, jeste li vidjeli?" - to je pogrešan eksperiment, jer osoba neće moći odgovoriti na to pitanje objektivno. Ne volimo reći da ako nismo sigurni, ali teško je biti siguran u takav mali signal. Buka u vizualnom sustavu - koja može proizvesti fantomske bljeskove čak iu potpunoj tami - također dodaje smetnje. Bilo bi najbolje pitati promatrača koju bi od dvije alternative preferirao. U našim eksperimentima nasumično biramo gdje poslati foton - na lijevu ili desnu stranu oka promatrača - iu svakom testu pitaju: "Lijevo ili desno?". Ako promatrač može odgovoriti na ovo pitanje bolje nego samo pokušati pogoditi (što bi u najboljem slučaju dalo 50% točnosti), znamo da on nešto vidi. To se naziva dizajn eksperimenta s prisilnim odabirom i često se koristi u psihologiji.

2016. godine istraživački tim iz BečaVoditelj fizičara Alipasha Vaziri s Rockefeller Sveučilišta u New Yorku koristio je sličan eksperiment kako bi pokazao da je ljudski promatrač bio sposoban odgovoriti na prisilni izbor s jednim fotonom bolje nego pokušati slučajno pogoditi, i tako uvjerljivo pokazati da je osoba zaista sposobna vidjeti jednu osobu. foton. Koristeći izvor pojedinačnih fotona temeljenih na spontanom parametarskom raspršenju i dizajnu eksperimenta prisilnog izbora, znanstvenici su stvorili dva moguća eksperimenta koji mogu donijeti kvantnu čudnost u područje ljudske percepcije: test pomoću stanja superpozicije i tzv Bell test s nelokalnošću i ljudskim promatračem ,

Superpozicija je jedinstveni kvantni koncept. Kvantne čestice - na primjer, fotoni - opisane su vjerojatnošću da će ih buduća dimenzija naći na određenom mjestu. Stoga i prije mjerenja smatramo da mogu biti na dva (ili više) mjesta istovremeno. Ta se ideja ne odnosi samo na položaj čestica, već i na druga svojstva, kao što je polarizacija, koja se odnosi na orijentaciju ravnine kojom se čestice šire u obliku valova. Mjerenje dovodi do činjenice da se čini da se čestice "kolapsiraju", kolapsiraju u jedno ili drugo stanje, ali nikad ne znaju točno kako i zašto dolazi do kolapsa.

Ljudski vizualni sustav pruža novezanimljive načine istraživanja ovog problema. Jedan jednostavan, ali jezovit test bio bi da li ljudi percipiraju razliku između fotona u stanju superpozicije i fotona na određenom mjestu. Fizičari su već dugo godina zainteresirani za ovo pitanje i ponudili su hrpu pristupa - ali za sada razmotrimo izvor gore opisanih pojedinačnih fotona, koji isporučuje foton na lijevu ili desnu stranu oka promatrača.

Prvo, možemo isporučiti fotonsuperpozicije lijevog i desnog položaja - doslovno na dva mjesta u isto vrijeme - i zamolite promatrača da kaže kojoj se strani, po njegovom mišljenju, pojavio foton. Da bi se izračunale bilo kakve razlike u percepciji stanja superpozicije i slučajnog nagađanja između "lijevog" i "desnog", eksperiment će uključivati ​​kontrolnu testnu skupinu u kojoj će foton biti poslan samo lijevo ili desno.

Stvaranje stanja superpozicije je jednostavno.dio. Foton možemo podijeliti na jednaku superpoziciju lijevog i desnog položaja pomoću razdvajača polarizirajućeg snopa, optičke komponente koja prenosi i reflektira svjetlost ovisno o polarizaciji. Čak i obična staklena stakla mogu to učiniti - tako da možete vidjeti i svoj odraz i ono što se nalazi iza stakla. Razdjelnici snopa jednostavno to rade pouzdano, uz unaprijed određenu mogućnost prijenosa i refleksije.

Standardna kvantna mehanika predviđa tosuperpozicija lijevog i desnog položaja ne bi trebala imati nikakvu razliku za promatrača u usporedbi s fotonom koji slučajno leti ulijevo ili udesno. Prije nego stignete do oka, superpozicija lijevog i desnog položaja vjerojatno će se srušiti s jedne ili druge strane tako brzo da nitko neće primijetiti. No, dok nitko neće provesti takav eksperiment, nećemo sigurno znati. Svaka statistički značajna razlika u omjeru ljudi koji prijavljuju bljeskove na lijevoj ili desnoj strani u superpoziciji biti će neočekivana - i može značiti da ne znamo ništa o kvantnoj mehanici. Od promatrača se također može zatražiti da opiše subjektivno iskustvo percepcije fotona u superpoziciji. I opet, prema standardnoj kvantnoj mehanici, ne bi trebalo biti razlike - međutim, ako se to dogodi, to može dovesti do nove fizike i boljeg razumijevanja problema kvantnih mjerenja.

Možete li vidjeti zamršene čestice?

Promatrači bi također mogli proći test.Još jedan zanimljiv koncept kvantne mehanike: zapletanje. Zaglavljene čestice imaju jedno kvantno stanje i ponašaju se kao da su međusobno povezane, bez obzira koliko su daleko jedna od druge.

Bell testovi, nazvani po irskom fizičaruJohn S. Bell, ovo je kategorija eksperimenata koji dokazuju da kvantna zamršenost krši neke od naših prirodnih pojmova stvarnosti. U Bellovom testu, mjerenja para isprepletenih čestica pokazuju rezultate koji se ne mogu objasniti nikakvom teorijom koja se pridržava načela lokalnog realizma. Lokalni realizam je par naizgled očitih pretpostavki. Prvi je mjesto: stvari koje su daleko jedna od druge ne mogu utjecati jedna na drugu brže nego što signal putuje između njih (a teorija relativnosti nam govori da je ta brzina brzina svjetlosti). Drugi je realizam: stvari u fizičkom svijetu uvijek imaju specifična svojstva, čak i ako se ne mjere i ne utječu na bilo što drugo.

Bit Bell testa je da su dane dviječestice koje međusobno djeluju i zbunjuju se, nakon čega ih razdvajamo i mjeramo svaku od njih. Provodimo nekoliko vrsta mjerenja - recimo, mjerenje polarizacije u dva različita smjera - i složimo se koje će se uzeti "slučajno", tako da dvije čestice ne mogu unaprijed "koordinirati" rezultate. (Zvuči čudno, ali kada je riječ o kvantnom svijetu, sve postaje čudno). Eksperiment se ponavlja mnogo puta, a novi parovi čestica omogućuju akumulaciju statističkog rezultata. Lokalni realizam nameće strogu matematičku granicu koliko čvrsto moraju korelirati rezultati između dvije čestice, ako nisu povezani na neki bizaran način. U desetinama testova koje je proveo Bell, ova granica je prekršena, dokazujući da kvantna mehanika ne poštuje lokalitet, realizam, ili oboje.

Obično se preferiraju isprepleteni fotoničestice u Bellovim testovima, te mjerenja kršenja lokalnog realizma rađena su pomoću elektroničkih jednofotonskih detektora. Ali ako ljudi mogu vidjeti pojedinačne fotone, promatrač bi mogao zamijeniti jedan od tih detektora, igrajući izravnu ulogu u testiranju lokalnog realizma.

Prikladno, spontana parametarska transformacija može se također koristiti za proizvodnju isprepletenih fotona.

Zašto su nam potrebni takvi eksperimenti? Uz faktor isključenja postoje i ozbiljni znanstveni razlozi. Razlog zašto i kako se stanje superpozicije sruši s generacijom određenog rezultata i dalje je jedna od najvećih misterija fizike. Testiranje kvantne mehanike uz pomoć novog, jedinstvenog, mjerno spremnog aparata - ljudskog vizualnog sustava - moglo bi isključiti određene teorije. Konkretno, postoje brojne teorije o makrorealizmu, iz kojih slijedi da još ne postoji otvoren fizički proces, koji uvijek dovodi do činjenice da se superpozicija velikih objekata (kao što su oči i mačke) vrlo brzo sruši. To bi značilo da je superponiranje velikih objekata gotovo nemoguće - i nevjerojatno. Dobitnik Nobelove nagrade, fizičar Anthony Leggett sa Sveučilišta u Illinoisu, aktivno razvija testove takvih teorija. Ako bi eksperimenti sa superpozicijom s sudjelovanjem ljudskog vizualnog sustava pokazali jasno odstupanje od standardne kvantne mehanike, to bi dokazalo da je makrorealizam vrlo značajan.

Razmišljati samo koliko je zanimljivo slijediti iz svake čudne posljedice kvantne mehanike - i koliko još moramo otkriti. Možete čitati o svemu ovome u našem mjestu u zenu.