yleinen

Quantum vision: voiko henkilö nähdä yhden fotonin?

”Vietin paljon aikaa pimeässä tutkijakoulussa. Ei vain siksi, että opiskelin kvanttioptiikan alaa - jossa käsitellään yleensä yhtä valon hiukkasia tai fotonia samanaikaisesti. Mutta myös siksi, että tutkimuksessa mittalaite oli silmät. Tutkin, miten ihmiset havaitsevat pienimmän valon määrän, ja minusta itsestäni tuli ensimmäinen koehenkilö aina, ”sanoo Los Alamosin kansallisen laboratorion fyysikko Rebecca Holmes. Hänen teoksensa, jonka nyt luette, julkaisi muun muassa Fysiikan maailma ja Applied Optics. Seuraava - ensimmäiseltä henkilöltä.

Katso fotoni

Tein näitä kokeita huoneessa, jonka koko oliwc Illinoisin yliopiston psykologian osaston kahdeksannessa kerroksessa, joka työskentelee yhdessä jatko-konsultti Pavel Kvyatin ja psykologin Ranciao Francis Wongin kanssa. Tila oli varustettu erityisillä paksuilla verhoilla ja suljetulla ovella täydellisen pimeyden saavuttamiseksi. Kuuden vuoden ajan olen viettänyt lukemattomia tunteja tässä huoneessa, istuen epämiellyttävässä tuolissa, ja pääni leukani lepoon, keskittyen hämärään, pieniä välähdyksiä ja odottamaan pieniä välähdyksiä tarkimmasta valonlähteestä, joka koskaan luotiin ihmisen näkemyksen tutkimiseen. . Tavoitteenani oli laskea, miten havaitsen muutaman sadan fotonin valon välähdykset vain yhteen.

Valon yksittäiset hiukkaset, fotonitkuuluvat kvanttimekaniikan maailmaan - paikka, joka saattaa tuntua täysin erilaiselta kuin tunnettu Universumi. Fysiikan professorit kertovat opiskelijoille täysin vakavasti, että elektroni voi olla samanaikaisesti kahdessa paikassa (kvantti-superpositio) tai että yhden fotonin mittaaminen voi välittömästi vaikuttaa toiseen fotoniin, joka on kaukana ja jolla ei ole fyysistä yhteyttä (kvanttijako). Ehkä emme ota näitä uskomattomia ideoita niin rennosti, koska ne eivät millään tavalla sovi jokapäiväiseen olemassaoloon. Elektroni voi olla kahdessa paikassa samaan aikaan, mutta jalkapallo ei ole.

Mutta fotonit ovat kvanttihiukkasia, joita ihmiset ovatvoi havaita suoraan. Kokeilut yksittäisillä fotoneilla voivat johtaa siihen, että kvanttimaailma tulee näkyviin, eikä meidän tarvitse odottaa - joitakin kokeita voidaan jo tehdä olemassa olevilla tekniikoilla. Silmä on ainutlaatuinen biologinen mittauslaite, ja sen käyttö avaa uskomattoman tutkimusalueen, jossa emme edes tiedä, mitä löydämme. Tutkimus siitä, mitä nähdään, kun fotonit ovat superposition tilassa, voivat muuttaa ymmärrystä kvantti- ja klassisten maailmojen välisestä rajasta, kun taas ihmisen tarkkailija voi jopa osallistua kvanttien sotkeutumisen outojen vaikutusten testaamiseen.

Ihmisen visuaalinen järjestelmä toimii yllättäenhyvä kvanttianturina. Se on hermojen ja elinten verkosto, silmäpalloista aivoihin, joka muuttaa valon kuviksi, joita havaitsemme. Selkärankaisilla ihmisillä ja muilla sukulaisilla on kaksi pääasiallista valonilmaisinta: tangot ja kartiot. Nämä fotoreseptorisolut sijaitsevat verkkokalvossa, valoherkässä kerroksessa silmämunan takana. Kartiot antavat värin, mutta he tarvitsevat kirkkaita valoja. Sauvat voidaan nähdä vain mustavalkoisina, mutta ne virittyvät yönäkymään ja tulevat herkimmiksi puolen tunnin kuluttua pimeässä.

Sauvat ovat niin herkkiä, että ne voivataktivoi yksi fotoni. Yksi näkyvän valon fotoni kuljettaa vain muutaman elektronin volttia. (Jopa lentävällä hyttysellä on kymmeniä miljardeja elektronijännite-kinetiikkaa). Reaktioiden kaskadi-ketju ja sauvan selkäosa vahvistavat tämän pienen signaalin mitattavaan sähköiseen vasteeseen neuronien kielellä.

Tiedämme, että sauvat pystyvät tarttumaan tasaisestiyksi fotoni, koska sauvan sähköinen vaste yhdelle fotonille mitattiin laboratoriossa. Kysymys oli viime aikoina tuntematon: nämä pienet signaalit kulkevat visuaalisen järjestelmän läpi ja sallivat tarkkailijan nähdä jotain tai suodatetaan melun muodossa ja menetetään. Kysymys on vaikeaa, koska tarvittavat tarkastusvälineet eivät yksinkertaisesti ole olemassa. Valo, joka syntyy kaikkialta, auringosta neonvaloihin, on vain satunnaista fotonivirtaa, kuten taivaalta putoava sade. Ei ole mitään tapaa ennustaa tarkasti, milloin seuraava fotoni tulee näkyviin, tai kuinka monta erityistä fotonia näkyy tietyllä aikavälillä. Ei ole väliä kuinka hämärä valo tulee olemaan, tämä seikka ei varmista, että tarkkailija todella näkee vain yhden fotonin - hän voi nähdä kaksi tai kolme.

Fotonin satunnaisuuden ongelma

Viimeisten 75 vuoden aikana tiedemiehetkeksiä tapoja kiertää satunnaisia ​​fotoneja. Mutta 1980-luvun lopulla uusi kenttä nimeltä kvanttioptiikka synnytti hämmästyttävän työkalun: yksittäisten fotonien lähde. Se oli aivan uudenlainen valo, jota maailma ei ollut koskaan ennen nähnyt, ja se antoi tutkijoille mahdollisuuden tuottaa täsmälleen yhden fotonin kerrallaan. Sateen sijaan saimme pipetin.

Nykyään on olemassa monia luomiseen liittyviä reseptejäyksittäiset fotonit, mukaan lukien loukkuun jääneet atomit, kvanttipisteet ja timanttikiteiden viat. Suosikkirekisteri on spontaani parametrinen sironta, jossa taajuus vähenee. Voit tehdä tämän ottamalla laserin ja lähettämällä sen beta-barium boraatti-kiteeseen. Kristallin sisällä laser-fotonit jakautuvat spontaanisti kahteen tyttär fotoniin. Kristallin toisessa päässä esiintyy vastasyntyneen tyttärifonien pari, joka muodostaa Y-muodon. Toinen vaihe: ota yksi tytär fotoneista ja lähetä se yhdelle fotonidetektorille, joka "pyörii", kun fotoni havaitaan. Koska tyttär fotonit muodostuvat aina pareittain, tämä piikki osoittaa, että muodon Y toisessa päässä on täsmälleen yksi fotoni, joka on valmis käytettäväksi kokeessa.

On toinen tärkeä temppu oppia.yhden fotonin visio. Vain lähettämällä yksi fotoni tarkkailijalle ja kysyessä "hyvin, näetkö?" - tämä on väärä kokeilu, koska henkilö ei pysty vastaamaan tähän kysymykseen objektiivisesti. Emme halua sanoa kyllä, jos emme ole varmoja, mutta on vaikea olla varma tällaisesta pienestä signaalista. Visuaalisen järjestelmän melu, joka voi tuottaa fantomia vilkkuu jopa täydellisessä pimeydessä, lisää myös häiriöitä. Olisi parasta kysyä tarkkailijalta, kumpi kahdesta vaihtoehdosta haluaisi. Kokeissamme valitsemme satunnaisesti, mihin lähetetään fotoni - tarkkailijan silmän vasemmalle tai oikealle puolelle - ja jokaisessa testissä he kysyivät: ”Vasen tai oikea?”. Jos tarkkailija voi vastata tähän kysymykseen paremmin kuin vain yrittää arvata (mikä antaisi 50%: n tarkkuuden parhaimmillaan), tiedämme, että hän näkee jotain. Tätä kutsutaan kokeilusuunnitteluksi pakotetulla valinnalla ja sitä käytetään usein psykologiassa.

Vuonna 2016 Wienin tutkimusryhmäNew Yorkin Rockefeller-yliopiston fyysikon Alipasha Vazirin ohjauksessa käytettiin samanlaista kokeilua osoittamaan, että ihmisen tarkkailija pystyi reagoimaan yhden valon pakottavaan valintaan paremmin kuin yrittää arvata sattumalta ja osoitti siten vakuuttavasti, että henkilö pystyy todella näkemään yhden fotoni. Käyttämällä spontaanin parametrisen sironnan perusteella tehtyjä yksittäisten fotonien lähdettä ja pakollisen valintakokeen suunnittelua tutkijat loivat kaksi mahdollista kokeilua, jotka voivat tuoda ihmisen havaintoalueelle kvanttista outoa: testi käyttäen superposition tilaa ja ns. .

Superposition on ainutlaatuinen kvanttikonsepti. Kvanttihiukkasia - esimerkiksi fotoneja - kuvataan todennäköisyydellä, että tulevaisuusulottuvuus löytää ne tietyssä paikassa. Siksi uskomme, että jopa ennen mittausta voi olla kahdessa (tai useammassa) paikassa samanaikaisesti. Tämä ajatus ei koske pelkästään hiukkasten sijaintia, vaan myös muita ominaisuuksia, kuten polarisaatiota, joka viittaa tason suuntaan, jota pitkin hiukkaset leviävät aaltojen muodossa. Mittaus johtaa siihen, että hiukkaset näyttävät "romahtavan", romahtavat yhteen tai toiseen, mutta eivät koskaan tiedä tarkasti, miten tai miksi romahtaminen tapahtuu.

Ihmisen visuaalinen järjestelmä tarjoaa uuttamielenkiintoisia tapoja tutkia tätä ongelmaa. Yksi yksinkertainen, mutta pelottava testi olisi se, että ihmiset näkevät eron fotonin välillä superposition tilassa ja fotoni tietyssä paikassa. Fyysikot ovat olleet kiinnostuneita tästä kysymyksestä monta vuotta, ja he ovat tarjonneet joukon lähestymistapoja - mutta nyt tarkastellaan edellä kuvattujen yksittäisten fotonien lähdettä, joka toimittaa fotonin tarkkailijan silmän vasemmalle tai oikealle puolelle.

Ensinnäkin voimme toimittaa fotoninvasemman ja oikean aseman superpositiot - kirjaimellisesti kahdessa paikassa samanaikaisesti - ja pyytävät tarkkailijaa kertomaan, mikä puoli hänen mielestään ilmestyi. Laskettaessa mahdollisia eroja superposition tilan ja satunnaisen arvailun välillä "vasen" ja "oikea" välillä, kokeeseen sisältyy kontrollikokeiryhmä, jossa fotoni lähetetään juuri vasemmalle tai oikealle.

Superposition tilan luominen on yksinkertaista.osa. Voimme jakaa fotonin vasemman ja oikean aseman tasaiseen superpositioon polarisoivan säteenjakajalla, optisella komponentilla, joka lähettää ja heijastaa valoa polarisaatiosta riippuen. Jopa tavallinen ikkunalasia pystyy tähän - niin näet sekä heijastuksen että lasin takana. Palkinjakajat tekevät yksinkertaisesti tämän luotettavasti, ja niillä on ennalta määrätty mahdollisuus lähettää ja heijastaa.

Normaali kvanttimekaniikka ennustaa senvasemman ja oikean aseman superpositio ei saisi olla tarkkailijalle mitään eroa verrattuna fotoniin, joka satunnaisesti lentää vasemmalle tai oikealle. Ennen kuin pääset silmään, vasemman ja oikean aseman superpositio todennäköisesti romahtaa toisella puolella tai toisella niin nopeasti, että kukaan ei huomaa. Mutta kun kukaan ei suorita tällaista kokeilua, emme tiedä varmasti. Kaikki tilastollisesti merkitsevät erot, jotka eroavat toisistaan ​​henkilöiden keskuudessa, jotka ilmoittavat soihdutusta vasemmassa tai oikeassa osassa superpositiossa, ovat odottamattomia - ja se voi tarkoittaa, että emme tiedä mitään kvanttimekaniikasta. Tarkkailijaa voidaan myös pyytää kuvaamaan subjektiivista kokemusta fotonien havaitsemisesta superpositiossa. Ja jälleen, tavallisen kvanttimekaniikan mukaan, ei pitäisi olla eroa - mutta jos se tapahtuu, se voi johtaa uuteen fysiikkaan ja parempaan käsitykseen kvanttimittausten ongelmasta.

Näetkö monimutkaisia ​​hiukkasia?

Tarkkailijat voivat myös ottaa testin.Toinen mielenkiintoinen käsite kvanttimekaniikasta: takertuminen. Sotkeutuneilla hiukkasilla on yksi kvanttitila ja ne käyttäytyvät ikään kuin ne ovat toisiinsa yhteydessä riippumatta siitä, kuinka pitkälle ne ovat toisistaan.

Bell-testit, jotka on nimetty irlantilaisen fyysikon mukaanJohn S. Bell, tämä on kategoria kokeita, jotka osoittavat, että kvantti sotkeutuminen rikkoo joitakin luonnollisia käsityksiä todellisuudesta. Bellin testissä koukkujen parin mittaukset osoittavat tuloksia, joita ei voida selittää millä tahansa teorialla, joka noudattaa paikallisen realismin periaatetta. Paikallinen realismi on pari ilmeisen ilmeisiä oletuksia. Ensimmäinen on paikkakunta: asiat, jotka ovat kaukana toisistaan, eivät voi vaikuttaa toisiinsa nopeammin kuin signaali kulkee niiden välillä (ja suhteellisuusteoria kertoo, että tämä nopeus on valon nopeus). Toinen on realismi: fyysisessä maailmassa on aina erityisiä ominaisuuksia, vaikka niitä ei mitata eikä vuorovaikutuksessa millään muulla.

Bell-testin ydin on, että kaksi annetaanhiukkaset, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja jotka sekoittuvat, minkä jälkeen ne erotetaan toisistaan ​​ja tehdään mittauksia. Toteutamme useita mittaustyyppejä - eli polarisaation mittaamista kahdessa eri suunnassa - ja sovimme, mihin ”satunnaisesti”, niin että nämä kaksi hiukkasia eivät voi "koordinoida" tuloksia etukäteen. (Se kuulostaa oudolta, mutta kun se tulee kvanttimaailmaan, kaikki muuttuu oudoksi). Koe toistetaan monta kertaa ja uudet hiukkasparit mahdollistavat tilastollisen tuloksen keräämisen. Paikallinen realismi asettaa tiukan matemaattisen rajan sille, kuinka voimakkaasti kahden hiukkasen väliset tulokset korreloivat, ellei niitä ole kytketty johonkin outoon tapaan. Monissa Bellin tekemissä testeissä tätä rajaa rikottiin, mikä osoitti, että kvanttimekaniikka ei tottele paikkakuntaa, realismia tai molempia.

Kiinnitetyt fotonit ovat yleensä edullisiaBellin testeissä olevat hiukkaset ja paikallisen realismin rikkomisten mittaukset tehdään elektronisilla yksiteatri-ilmaisimilla. Mutta jos ihmiset voivat nähdä yksittäisiä fotoneja, tarkkailija voisi korvata yhden näistä ilmaisimista, ja sillä on suora rooli paikallisen realismin testaamisessa.

Sopivasti spontaania parametrista transformaatiota voidaan käyttää myös takertuneiden fotonien tuottamiseen.

Miksi tarvitsemme tällaisia ​​kokeita? Poissulkutekijän lisäksi on vakavia tieteellisiä syitä. Syy siihen, miksi ja miten superposition tila romahtaa tietyn tuloksen syntymisen myötä, on edelleen yksi suurimmista fysiikan salaisuuksista. Kvanttimekaniikan testaaminen uuden, ainutlaatuisen, mittausvalmis laitteen avulla - ihmisen visuaalinen järjestelmä - voi sulkea pois tiettyjä teorioita. Erityisesti on olemassa useita makrotalouteen liittyviä teorioita, joista seuraa, että ei ole vielä avointa fyysistä prosessia, joka johtaa aina suurten esineiden (kuten silmäpallojen ja kissojen) supistumiseen hyvin nopeasti. Tämä merkitsisi sitä, että suurten esineiden superpositio on lähes mahdotonta - eikä epätodennäköistä. Nobel-palkinnon saaja, fyysikko Anthony Leggett Illinoisin yliopistosta kehitti aktiivisesti tällaisten teorioiden kokeita. Jos kokeilut superposition kanssa ihmisen visuaalisen järjestelmän osallistuessa osoittaisivat selvästi poikkeavan standardin kvanttimekaniikasta, tämä osoittaisi, että makrorealismi on melko merkittävä.

Ajattelemaan vain, kuinka paljon mielenkiintoista seuraa kvanttimekaniikan jokaisesta kummallisesta seurauksesta - ja kuinka monta on vielä löydettävä. Voit lukea kaiken tästä Zenissä.

Facebook -ilmoitus EU: lle! Sinun täytyy kirjautua sisään nähdäksesi ja julkaistaksesi FB -kommentteja!