General

Квантове зір: чи може людина побачити окремий фотон?

«Я провела багато часу в темряві в аспірантурі. Не тільки тому, що я вивчала область квантової оптики - де ми зазвичай маємо справу з однією часткою світла, або фотоном, одночасно. А й тому, що в моїх дослідженнях інструментом вимірювань були очі. Я вивчала, як люди сприймають найдрібніші кількості світла, і сама ставала першою випробуваної щоразу », - розповідає Ребекка Холмс, фізик Національної лабораторії Лос-Аламоса. Її робота, про яку ви зараз прочитаєте, була опублікована Physics World and Applied Optics, серед інших місць. Далі - від першої особи.

побачити фотон

Я проводила ці експерименти в кімнаті розміром зтуалет на восьмому поверсі відділення психології Університету штату Іллінойс, працюючи разом з моїм випускником-консультантом Павлом Квята і психологом Рансяо Френсіс Вонгом. Простір було обладнано спеціальними щільними шторами і зачиненими дверима для досягнення повної темряви. Протягом шести років я проводила незліченну кількість годин в цій кімнаті, сидячи в незручному кріслі, поклавши голову на підборіддя для упору, зосередившись на тьмяних, крихітних спалахи і чекаючи крихітних спалахів від самого точного джерела світла, який коли-небудь створювався для дослідження людського зору . Моя мета полягала в тому, щоб підрахувати, як я сприймаю спалаху світла від декількох сотень фотонів до всього лише одного.

Будучи індивідуальними частинками світла, фотониналежать світу квантової механіки - місця, яке може здатися зовсім несхожим на відому нам Всесвіт. Професори фізики говорять студентам абсолютно серйозно, що електрон може бути в двох місцях одночасно (квантова суперпозиція) або що вимір одного фотона може миттєво вплинути на інший фотон, який знаходиться далеко і не має фізичного з'єднання (квантова заплутаність). Можливо, ми приймаємо ці неймовірні ідеї так недбало, тому що вони жодним чином не вписуються в наше повсякденне існування. Електрон може бути в двох місцях одночасно, а футбольний м'яч - ні.

Але фотони - це квантові частинки, які людиможуть сприймати безпосередньо. Експерименти з окремими фотонами можуть привести до того, що квантовий світ стане видимим, і нам не доведеться чекати - деякі експерименти вже можна провести з існуючими технологіями. Око - це унікальне біологічне пристрій вимірювання, і його використання відкриває перед нами дивовижну область досліджень, в яких ми навіть не знаємо, що могли б знайти. Дослідження того, що ми бачимо, коли фотони знаходяться в стані суперпозиції, може змінити наше розуміння кордону між квантовим і класичним світами, в той час як людина-спостерігач навіть зможе взяти участь у випробуванні дивних наслідків квантової заплутаності.

Зорова система людини працює на подивдобре як квантовий детектор. Це мережа нервів і органів, від очних яблук до мозку, яка перетворює світло в зображення, які ми сприймаємо. Люди і інші родичі серед хребетних мають два основних типи живих детекторів світла: палички і колбочки. Ці фоторецепторні клітини знаходяться в сітківці, світлочутливому шарі в задній частині очного яблука. Колбочки дають кольоровий зір, але їм необхідний яскраве світло для роботи. Палички можуть бачити тільки в чорно-білому, але налаштовуються на нічний зір і стають найбільш чутливими після півгодини, проведеного в темряві.

Палички настільки чутливі, що їх можнаактивувати одним фотоном. Один фотон видимого світла переносить всього кілька електрон-вольт енергії. (Навіть у летить комара десятки мільярдів електрон-вольт кінетичної енергії). Каскадна ланцюг реакцій і зворотна петля в паличці підсилює цей крихітний сигнал до вимірного електричного відгуку на мові нейронів.

Ми знаємо, що палички здатні вловлювати навітьодин фотон, тому що електричний відгук палички до одного фотона вимірювався в лабораторії. Що залишалося невідомим до недавніх пір, так це питання: ці крихітні сигнали проходять через іншу зорову систему і дозволяють спостерігачеві щось бачити або ж фільтруються у вигляді шуму і губляться. Питання складне, тому що потрібних інструментів для перевірки просто не було. Світло, який випускається звідусіль, від Сонця до неонових вогнів, це всього лише випадковий потік фотонів, немов дощ, що падає з неба. Немає ніякого способу точно спрогнозувати, коли з'явиться наступний фотон, або скільки конкретно фотонів з'явиться в заданий часовий інтервал. Неважливо, наскільки тьмяним буде світло, цей факт не дозволяє переконатися, що людина-спостерігач насправді бачить лише один фотон - він може бачити два або три.

Проблема випадковості фотонів

За останні 75 років або близько того вченіпридумали хитрі способи обійти проблему випадкових фотонів. Але в кінці 1980-х нова область під назвою квантова оптика породила дивовижний інструмент: джерело одиночних фотонів. Це був абсолютно новий тип світла, якого світ не бачив раніше, і він надав ученим можливість виробляти рівно один фотон одномоментно. Він градом ми отримали піпетку.

Сьогодні є безліч рецептів створенняокремих фотонів, включаючи захоплені атоми, квантові точки та дефекти в кристалах алмазу. Мій улюблений рецепт - це спонтанне параметричне розсіяння з пониженням частоти. Для цього потрібно взяти лазер і направити його на кристала бората бета-барію. Усередині кристала фотони лазера спонтанно розщеплюються на два дочірніх фотона. Новонароджена пара дочірніх фотонів з'являється на іншому кінці кристала, утворюючи Y-форму. Другий крок: взяти один з дочірніх фотонів і відправити його в детектор одиночних фотонів, який «пискне» при виявленні фотона. Оскільки дочірні фотони завжди утворюються парами, цей писк повідомить про те, що існує рівно один фотон на іншому кінці форми Y, готовий для використання в експерименті.

Є ще один важливий трюк для вивченняоднофотонного зору. Просто відправити один фотон спостерігачеві і запитати «ну що, побачив?» - це невірно побудований експеримент, тому що людина не зможе відповісти на це питання об'єктивно. Ми не любимо говорити «так», якщо не впевнені, але в такому крихітному сигналі важко бути впевненим. Шум в зоровій системі - яка може виробляти фантомні спалаху навіть в повній темряві - також додає перешкод. Найкраще було б запитати спостерігача, яку з двох альтернатив він волів би. У наших експериментах ми випадково вибираємо, куди послати фотон - в ліву чи праву частину ока спостерігача - і в кожному випробуванні запитували: «Ліва або права?». Якщо спостерігач може відповісти на це питання краще, ніж просто намагаючись вгадати (що дало б в кращому разі 50% точність), ми знаємо, що він щось бачить. Це називається дизайн експерименту з примусовим вибором і він часто застосовується в психології.

У 2016 році дослідницька група з Відня підкерівництвом фізика Аліпаша Вазирі з Університету Рокфеллера в Нью-Йорку використовувала подібний експеримент, щоб показати, що людина-спостерігач був здатний відповідати на вимушений вибір з одним фотоном краще, ніж намагаючись вгадати випадково, і таким чином переконливо показала, що людина дійсно здатний бачити один фотон. Використовуючи джерело окремих фотонів на основі спонтанного параметричного розсіяння і дизайн експерименту з вимушеним вибором, вчені створили два можливих експерименту, які можуть вивести квантову дивина в область людського сприйняття: випробування з використанням стану суперпозиції і так званий «тест Белла» з нелокальності і людиною-спостерігачем .

Суперпозиція - унікальне квантове поняття. Квантові частинки - наприклад, фотони - описуються вірогідністю того, що майбутнє вимір знайде їх в певному місці. Тому, ще до вимірювання, ми вважаємо, що вони можуть бути в двох (або більше) місцях одночасно. Ця думка застосовується не тільки до місця розташування частинок, але і іншим властивостям, таким як поляризація, яка відноситься до орієнтацію площині, уздовж якої частки поширюються в формі хвиль. Вимірювання призводить до того, що частинки як би «коллапсируют», схлопиваются в один стан або інше, але ніколи не знає точно, як або чому відбувається колапс.

Зорова система людини надає новіцікаві способи дослідження цієї проблеми. Один простий, але моторошний тест полягав би у тому, чи сприймають люди різницю між фотоном в стані суперпозиції і фотоном в конкретному місці. Фізиків цікавило це питання багато років і вони пропонували купу підходів - але на даний момент давайте розглядати джерело окремих фотонів, описаний вище, який доставляє фотон в ліву чи праву частину ока спостерігача.

По-перше, ми можемо доставити фотон всуперпозиції лівої і правої позиції - буквально в двох місцях одночасно - і попросити спостерігача повідомити, з якого боку, на його думку, з'явився фотон. Щоб розрахувати будь-які відмінності в сприйнятті стану суперпозиції і випадкових здогадок між «зліва» і «справа», експеримент буде включати контрольну групу випробувань, в якій фотон насправді буде надсилатися просто зліва або просто справа.

Створити стан суперпозиції - це простачастина. Ми можемо розділити фотон на рівну суперпозицію лівої і правої позиції, використовуючи поляризаційний светоделітель, оптичний компонент, який пропускає і відображає світло в залежності від поляризації. На це здатне навіть звичайне віконне скло - тому ви можете бачити як своє відображення, так і те, що за склом. Светоделітель просто роблять це надійно, із заздалегідь визначеним шансом пропускання і відбиття.

Стандартна квантова механіка передбачає, щосуперпозиція лівої і правої позицій не повинна нести ніякої різниці для спостерігача в порівнянні з фотоном, який випадковим чином прилітає зліва чи справа. До досягнення очі суперпозиція лівої і правої позицій найімовірніше схлопнется на одній або іншій стороні так швидко, що ніхто цього не помітить. Але поки ніхто не проведе такий експеримент, ми не дізнаємося напевно. Будь-які статистично значущі відмінності в співвідношенні людей, які повідомляють про спалахи зліва чи справа в суперпозиції будуть несподіваними - і можуть означати, що ми чогось не знаємо про квантову механіку. Спостерігача можна також попросити описати суб'єктивний досвід сприйняття фотонів в суперпозиції. І знову ж таки, згідно зі стандартною квантовій механіці, ніякої різниці бути не повинно - однак, якщо вона буде, це може привести до нової фізики і кращому розумінню проблеми квантових вимірювань.

Чи можна побачити заплутані частки?

Люди-спостерігачі також могли б прийняти випробуванняіншої цікавої концепції квантової механіки: заплутаності. Заплутані частинки мають одним квантовим станам і поводяться так, ніби пов'язані між собою, незалежно від того, як далеко знаходяться один від одного.

Тести Белла, названі на честь ірландського фізикаДжона С. Белла, це категорія експериментів, які доводять, що квантова заплутаність порушує деякі з наших природних уявлень про реальність. У тесті Белла вимірювання пари заплутаних часток показують результати, які не можуть бути пояснені будь-якої теорією, яка підпорядковується принципу локального реалізму. Локальний реалізм - це пара, здавалося б, очевидних припущень. Перше - це локальність: речі, які знаходяться далеко один від одного, не можуть впливати один на одного швидше, ніж подорожує сигнал між ними (і теорія відносності підказує нам, що ця швидкість - швидкість світла). Друге - це реалізм: речі в фізичному світі завжди мають конкретні властивості, навіть якщо не вимірюються і не взаємодіють з чим-небудь ще.

Суть тесту Белла полягає в тому, що дано двічастинки, які взаємодіють між собою і заплутуються, після чого ми їх поділяємо і проводимо вимірювання кожної. Ми проводимо декілька видів вимірювань - скажімо, вимір поляризації в двох різних напрямках - і домовляємося, яке з них проводити «випадково», так щоб дві частки не могли «узгодити» результати заздалегідь. (Звучить дивно, але коли мова заходить про квантовий світі, все стає дивним). Експеримент повторюється багато разів і нові пари частинок дозволяють накопичити статистичний результат. Локальний реалізм накладає строгий математичний ліміт на те, як сильно результати між двома частинками повинні корелювати, якщо не пов'язані якимось химерним чином. У десятках проведених тестах Белла цей ліміт був порушений, доводячи, що квантова механіка не підкоряється локальності, реалізму чи їм обом.

Заплутані фотони зазвичай вважають за краще середчастинок в тестах Белла, і вимірювання порушення локального реалізму виробляються за допомогою електронних однофотонних детекторів. Але якщо люди можуть бачити окремі фотони, спостерігач міг би замінити один з таких детекторів, граючи безпосередню роль в перевірці локального реалізму.

Зручно, що спонтанне параметричне перетворення також можна використовувати для отримання заплутаних фотонів.

Навіщо потрібні такі експерименти? Крім фактора виключення, є і серйозні наукові причини. Причина того, чому і як стан суперпозиції схлопивается з генерацією певного результату, це все ще одна з найбільших загадок фізики. Перевірка квантової механіки за допомогою нового, унікального, готового до вимірювань апарату - зорової системи людини - могла б виключити певні теорії. Зокрема, є ряд теорій про макрореалізме, з яких випливає, що є поки не відкритий фізичний процес, який завжди призводить до того, що суперпозиція великих об'єктів (на кшталт очних яблук і котів) схлопивается дуже швидко. Це означало б, що суперпозиція великих об'єктів практично неможлива - а не малоймовірна. Нобелівський лауреат, фізик Ентоні Леггетт з Університету Іллінойсу активно розробляв тести подібних теорій. Якби експерименти з суперпозицією за участю зорової системи людини показали чітке відхилення від стандартної квантової механіки, це довело б, що макрореалізм цілком суттєвий.

Подумати тільки, скільки цікавого випливає з кожного дивного слідства квантової механіки - і скільки нам ще тільки належить виявити. Про все такому ви можете почитати і у нас в Дзене.