általános

Kvantum-látás: láthat-e egy személy egy fotont?

„Sok időt töltöttem a sötétben a posztgraduális iskolában. Nemcsak azért, mert tanulmányoztam a kvantum-optika területét - ahol egyszerre egy fényréteggel vagy egy fotonnal foglalkozunk. De azért is, mert a kutatásomban a mérőeszköz a szem volt. Tanulmányoztam, hogyan érzékelik az emberek a legkisebb fénymennyiséget, és én magam lettem az első próbatétel minden alkalommal ”- mondja Rebecca Holmes, a Los Alamos Nemzeti Laboratórium fizikusa. A munkáját, amelyet most olvasni fog, többek között a Fizika Világ és az Applied Optics publikált. Következő - az első személytől.

Lásd a fotont

Ezeket a kísérleteket egy méretben végeztem elWC az Illinois-i Egyetem pszichológiai osztályának nyolcadik emeletén, együtt dolgozom Pavel Kvyat és a pszichológus, Ranciao Francis Wong szakemberével. A teret speciális vastag függönyökkel és zárt ajtóval felszerelték a teljes sötétség eléréséhez. Hat évig számtalan órát töltöttem ebben a szobában, egy kényelmetlen székben ülve, a fejem az álla nyugalomra összpontosítva, apró villogásokra összpontosítva, és apró villanásokra várva a legpontosabb fényforrástól, amit valaha az emberi látás tanulmányozására készítettek. . Célom az volt, hogy kiszámítsam, hogyan érzékelek néhány száz fotonból a fény villanásait egyetlenre.

Mivel a fény egyes részei, a fotonoktartoznak a kvantummechanika világába - olyan helyre, amely teljesen másnak tűnik az ismert Univerzumtól. A fizikai tanárok komolyan mondják a tanulóknak, hogy az elektron két helyen egyidejűleg lehet (kvantum-szuperpozíció), vagy hogy az egyik foton mérése azonnal befolyásolhat egy másik fotont, ami messze van, és nincs fizikai kapcsolata (kvantumkötés). Talán ezeket a hihetetlen ötleteket olyan véletlenszerűen vesszük, mert semmiképpen sem illeszkednek a mindennapi létünkhöz. Egy elektron egyidejűleg két helyen lehet, de nem egy futball-labda.

De a fotonok kvantumrészecskék, hogy az emberekközvetlenül észlelheti. Az egyes fotonokkal végzett kísérletek azt eredményezhetik, hogy a kvantumvilág láthatóvá válik, és nem kell várnunk - néhány kísérlet már elvégezhető a meglévő technológiákkal. A szem egyedülálló biológiai mérőeszköz, és felhasználása csodálatos kutatási területet nyit meg, amelyben nem is tudjuk, hogy mi találhatnánk. A kvantum és a klasszikus világok közötti határok megértését megváltoztathatja, ha a fotonok szuperpozíciós állapotban vannak, míg az emberi megfigyelő részt vehet a kvantumkötés furcsa hatásainak vizsgálatában.

Az emberi vizuális rendszer meglepően működikjó kvantum detektor. Ez az idegek és szervek hálózata, a szemgolyóktól az agyig, ami a fényt az általunk észlelt képekké alakítja. A gerinces állatokban élő emberek és más rokonok két fő típusú élő fényérzékelővel rendelkeznek: rudak és kúpok. Ezek a fotoreceptor-sejtek a retina, a fényérzékeny réteg a szemgolyó hátoldalán találhatók. A kúpok színt látnak, de ragyogó fényre van szükségük. A rudakat csak fekete-fehérben lehet látni, de az éjjellátó hangok beilleszkednek, és a sötétben eltöltött fél óra elteltével érzékenyebbé válnak.

A rudak olyan érzékenyek, hogy képesekaktiváljon egy fotont. A látható fény egyik fotonja csak néhány elektronvoltot tartalmaz. (Még egy repülő szúnyognak is több tízmilliárd elektronvolt kinetikus energiája van). A kaszkád láncreakció és a loopback erősíti ezt a kis jelet a neuronok nyelvén mérhető elektromos válaszként.

Tudjuk, hogy a botok is képesek elkapniegy foton, mert a pálca egy fotonra adott elektromos válaszát a laboratóriumban mértük. A közelmúltig ismeretlen maradt a kérdés: ezek a kis jelek áthaladnak a vizuális rendszer többi részén, és lehetővé teszik, hogy a megfigyelő láthasson valamit, vagy zaj formájában kiszűrve, és elveszett. A kérdés nehéz, mert a szükséges ellenőrzési eszközök nem léteztek. A világ minden részéből kibocsátott fény, a Naptól a neonfényig, csak egy véletlenszerű fotonáram, mint az eső az égből. Nincs mód arra, hogy pontosan megjósoljuk, mikor jelenik meg a következő foton, vagy hány konkrét foton jelenik meg egy adott időintervallumban. Nem számít, mennyire elhomályosul a fény, ez a tény nem biztosítja, hogy a megfigyelő valójában csak egy fotont lát - két-háromat lát.

A foton véletlenszerűségének problémája

Az elmúlt 75 évben tudósokokos módon jött létre, hogy megkerüljék a véletlen fotonok problémáját. De az 1980-as évek végén a kvantum-optika nevű új mező egy csodálatos eszközt hozott létre: egyetlen foton forrása. Ez egy teljesen újfajta fény volt, amit a világ még soha nem látott, és lehetőséget adott arra, hogy a tudósok egyidejűleg pontosan egy fotont állítsanak elő. Az eső helyett pipettát kaptunk.

Ma sok receptet készítenekegyedi fotonok, beleértve a csapdába eső atomokat, a kvantumpontokat és a gyémánt kristályok hibáit. Kedvenc receptem a spontán parametrikus szórás, csökkenő frekvenciával. Ehhez vegye a lézert, és küldje el a béta-bárium-borát kristályba. A kristály belsejében a lézer fotonok spontán két lány fotonra oszlanak. A kristály másik végén újszülött pár lánya fotonok jelennek meg, amelyek Y-alakot alkotnak. A második lépés: vegye le az egyik lánya fotonját, és küldje el egy foton detektorba, amely "piknet" lesz, amikor egy fotont érzékel. Mivel a lányok fotonjait mindig párok alakítják ki, ez a csúcs jelzi, hogy az Y forma másik végén pontosan egy foton van, amely a kísérletben felhasználásra kész.

Van egy másik fontos trükk a tanuláshoz.egyetlen foton látás. Csak egy fotont küldött egy megfigyelőnek, és megkérdezte: "jól látta?" - ez egy rossz kísérlet, mert egy személy nem lesz képes objektívan válaszolni erre a kérdésre. Nem szeretnénk azt mondani, hogy igen, ha nem vagyunk biztosak, de nehéz egy ilyen apró jelet biztosítani. A vizuális rendszerben fellépő zaj - amely fantomképződést is eredményez - még a teljes sötétségben is - interferenciát okoz. A legjobb lenne megkérdezni a megfigyelőtől, hogy a két alternatíva közül melyiket részesíti előnyben. Kísérleteink során véletlenszerűen választjuk ki, hogy hová küldjön fotont - a megfigyelő szemének bal vagy jobb oldalán -, és minden tesztben megkérdezte: „Balra vagy jobbra?”. Ha a megfigyelő jobban válaszolhat erre a kérdésre, mint csak arra, hogy kitaláljon (ami 50% -os pontosságot adna a legjobbnak), tudjuk, hogy lát valamit. Ezt kísérleti tervezésnek nevezik kényszer választással, és gyakran használják a pszichológiában.

2016-ban egy bécsi kutatócsoportA New York-i Rockefeller Egyetem Alipasha Vaziri fizikusának irányítása hasonló kísérletet mutatott be annak bizonyítására, hogy az emberi megfigyelő képes volt egy kényszer választásra egy fotonnal jobban reagálni, mint véletlenszerűen kitalálni, és így meggyőzően megmutatta, hogy egy személy valóban képes látni egy embert foton. A spontán parametrikus szóráson alapuló fotonok forrása és a kényszer választási kísérlet kialakítása alapján a tudósok két lehetséges kísérletet hoztak létre, amelyek kvantikus furcsaságot hozhatnak az emberi észlelési területre: egy tesztet, amely a szuperpozíció állapotát és az úgynevezett Bell tesztet alkalmazza nonlocality és emberi megfigyelővel .

A szuperpozíció egyedülálló kvantumkoncepció. A kvantumrészecskék - például a fotonok - azon valószínűséggel vannak leírva, hogy a jövőbeni dimenzió egy adott helyen találja őket. Ezért még a mérés előtt is úgy gondoljuk, hogy egyszerre két (vagy több) helyen lehetnek. Ez az elképzelés nemcsak a részecskék elhelyezkedésére vonatkozik, hanem más tulajdonságokra is, mint például a polarizációra, amely a síknak a hullámok formájában terjedő részének tájolására utal. A mérés azt a tényt eredményezi, hogy a részecskék „összeomlanak”, összeomlanak egy vagy másik állapotba, de soha nem tudják pontosan, hogy hogyan vagy miért következik be az összeomlás.

Az emberi vizuális rendszer újérdekes módszerek a probléma kutatására. Egy egyszerű, de kétségbeesett teszt az lenne, hogy az emberek észrevennék-e a különbséget a foton egy szuperpozíció állapotában és egy fotonban egy adott helyen. A fizikusok már évek óta érdekeltek ebben a kérdésben, és felajánlottak egy csomó megközelítést - de most vizsgáljuk meg a fent leírt egyes fotonok forrását, amely a fotont a megfigyelő szeme bal vagy jobb oldalára szállítja.

Először is el tudunk szállítani egy fotonta bal és a jobb pozíció szuperpozíciói - szó szerint két helyen egyszerre - és felkérik a megfigyelőt, hogy mondja el, melyik oldalon, véleménye szerint a foton megjelent. A „bal” és a „jobb” szuperpozíció és a véletlenszerű találgatás állapotának észlelésében tapasztalható különbségek kiszámításához a kísérlet egy olyan ellenőrző csoportot tartalmaz, amelyben a foton valójában csak balra vagy csak jobbra kerül.

Egy szuperpozícióállapot létrehozása egyszerű.része. Megoszthatjuk a fotont a bal és jobb pozíciók egyenlő szuperpozíciójába egy polarizáló sugárosztóval, egy optikai komponenssel, amely a fényt a polarizációtól függően továbbítja és tükrözi. Erre is képes a közönséges ablaküveg, így láthatjuk mind az elmélkedésedet, mind az üveg mögött. A sugárelosztók egyszerűen ezt megbízhatóan, előre meghatározott átviteli és reflexiós eséllyel teszik.

A standard kvantummechanika ezt megjósoljaa bal és a jobb pozíció szuperpozíciója nem okozhat különbséget a megfigyelőhöz képest egy olyan fotonhoz képest, amely véletlenszerűen balra vagy jobbra repül. Mielőtt elérné a szemet, a bal és a jobb pozíció szuperpozíciója valószínűleg gyorsan összeomlik az egyik oldalon, vagy úgy, hogy senki sem fogja észrevenni. De bár senki nem fog ilyen kísérletet végezni, biztosan nem fogjuk tudni. Minden olyan statisztikailag szignifikáns különbség, amely a szuperpozícióban balra vagy jobbra jelentkező fáklyákról számol be, váratlan lesz - és ez azt jelenti, hogy nem tudunk semmit a kvantummechanikáról. A megfigyelőt arra is felkérhetjük, hogy leírja a szuperpozícióban lévő fotonok érzékelésének szubjektív tapasztalatait. Ismét, a standard kvantummechanika szerint nincs különbség, de ha igen, akkor új fizikához és a kvantummérések problémájának jobb megértéséhez vezethet.

Láthatsz bonyolult részecskéket?

A megfigyelők is elvégezhetik a tesztet.A kvantummechanika másik érdekes koncepciója: összekapcsolódás. Az összekapcsolódó részecskéknek egy kvantumállapotuk van, és úgy viselkednek, mintha egymáshoz kapcsolódnának, függetlenül attól, hogy mennyire vannak egymástól.

Bell tesztek, az ír fizikus nevébőlJohn S. Bell, ez egy olyan kísérletkategória, amely bizonyítja, hogy a kvantumkötés sérti a valóság természetes elképzeléseit. Bell-tesztben egy összekapcsolt részecskék mérése olyan eredményeket mutat, amelyek nem magyarázhatók olyan elméletekkel, amelyek betartják a helyi realizmus elvét. A helyi realizmus egy pár látszólag nyilvánvaló feltételezés. Az első a település: az egymástól távol eső dolgok nem befolyásolhatják egymást gyorsabban, mint a jelek a közöttük (és a relativitáselmélet azt mondja, hogy ez a sebesség a fény sebessége). A második a realizmus: a fizikai világban lévő dolgok mindig sajátos tulajdonságokkal rendelkeznek, még akkor is, ha nem mérik őket, és semmilyen más módon nem lépnek kapcsolatba.

A Bell-teszt lényege, hogy kettőt adunk megolyan részecskék, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással, és zavarodnak, miután elválasztjuk őket és mérjük őket. Számos típusú mérést végzünk - mondjuk a polarizáció mérését két különböző irányban -, és egyetértünk azzal, hogy melyikből véletlenszerűen vegyük be, hogy a két részecske nem tudja előre koordinálni az eredményeket. (Ez furcsanak tűnik, de amikor a kvantumvilágról van szó, minden furcsa lesz). A kísérletet többször megismételjük, és az új pár részecskék statisztikai eredményt kaphatnak. A helyi realizmus szigorú matematikai határt szab, hogy a két részecske közötti eredmények mennyire korrelálnak, ha nem bizarr módon kapcsolódnak egymáshoz. A Bell által végzett tesztek tucatjai ezt a korlátot megsértették, bizonyítva, hogy a kvantummechanika nem felel meg a helyiségnek, a realizmusnak vagy mindkettőnek.

A beágyazott fotonok általában előnyben részesülnekrészecskék Bell tesztjeiben, és a helyi realizmus megsértésének mérése elektronikus egy foton detektorokkal történik. De ha az emberek egyéni fotonokat látnak, a megfigyelő helyettesítheti az egyik ilyen detektort, és közvetlen szerepet játszhat a helyi realizmus tesztelésében.

Kényelmesen a spontán parametrikus transzformáció is használható összekapcsolt fotonok előállítására.

Miért van szükség ilyen kísérletekre? A kizárási tényező mellett komoly tudományos okok is vannak. Az, hogy miért és hogyan szűnik meg a szuperpozíció állapota egy bizonyos eredmény generálásával, még mindig a fizika egyik legnagyobb rejtélye. A kvantummechanika tesztelése egy új, egyedülálló, méréskészítő berendezés segítségével - az emberi vizuális rendszer - kizárhat bizonyos elméleteket. Különösen számos makrorealizmusról szóló elmélet létezik, amiből következik, hogy még nincs nyitott fizikai folyamat, amely mindig azt a tényt eredményezi, hogy a nagy tárgyak (mint a szemgolyók és macskák) szuperpozíciója nagyon gyorsan összeomlik. Ez azt jelentené, hogy a nagy tárgyak szuperpozíciója szinte lehetetlen - és nem valószínű. Nobel-díjas, fizikus Anthony Leggett az Illinois-i Egyetemen aktívan fejlesztette az ilyen elméletek tesztjeit. Ha az emberi vizuális rendszer részvételével végzett szuperpozíciós kísérletek egyértelmű eltérést mutattak a standard kvantummechanikától, ez azt bizonyítja, hogy a makrorealizmus igen jelentős.

A kvantummechanika minden egyes furcsa következményéből - és hányan még meg kell találnunk - csak azt gondolnánk, hogy mennyire érdekes. Mindezről a Zen helyén olvashat.