Quantum Vision: Voiko ihminen nähdä yksittäisen fotonin?

"Vietin paljon aikaa pimeässä tutkijakoulu. Ei vain koska olen opiskellut alalla kvanttioptiikan - missä me yleensä käsitellä yhdellä valoa hiukkasen tai fotonin, samaan aikaan. Vaan myös siksi tutkimuksessani mittaustyökaluja olivat hänen silmänsä. Opiskelin miten ihmiset kokevat pienin määrä valoa, ja hänestä tuli ensimmäinen testi joka kerta", - sanoo Rebecca Holmes, fyysikko Los Alamos National Laboratory. Hänen työnsä, mikä juuri lukenut julkaistiin fyysinen maailma ja Applied Optics, muiden muassa. Sitten - ensimmäisessä persoonassa.

Ks fotoneja

Tein kokeissa huoneessa koko wc kahdeksannessa kerroksessa psykologian laitos University of Illinois, yhdessä minun jatko neuvonantaja Paul Kwiat ja psykologi Ransyao Francis Wong. Tila oli varustettu erityisillä pimennysverhot ja luukku kiinni, jotta saavutetaan täysin pimeässä. Kuuden vuoden ajan olen viettänyt lukemattomia tunteja huoneeseen, istuu epämiellyttävä tuoli, lepää hänen päänsä leukaansa lopettamaan keskittyen hämärä, pieni vilkkuu odottaen pientä välähdystä hienoimmista valonlähteen koskaan luotu tutkimiseen ihmisnäön . Tavoitteena oli laskea, kuinka näen valon välähdykset muutamasta sadasta fotonit vain yhteen.

Yksittäisinä josta valo, fotonit kuuluvat maailmaan kvanttimekaniikan - paikka, joka voi tuntua aivan erilainen kuin tunnettujen universumissa. Fysiikan professori opiskelijoiden väittävät vakavissaan, että elektroni voi olla kahdessa paikassa samaan aikaan (kvanttisuperpositio) tai mittaaminen yksittäisen fotonin voi heti vaikuttaa toisen fotonin, joka on kaukana ja ei ole fyysistä yhteyttä (Lomittuminen). Ehkäpä otamme tämän uskomattoman ajatuksen niin huolettomasti, koska ne eivät ole millään tavalla sovi meidän päivittäiseen olemassaolon. Elektroni voi olla kahdessa paikassa yhtä aikaa, ja pallo - no. Mutta fotonit - kvantti hiukkanen, joiden kautta ihmiset voivat havaita suoraan. Kokeet yksittäisten fotonien voi johtaa siihen, että Kvanttimaailmassa tulee näkyviin, ja meidän ei tarvitse odottaa - jotkut kokeet voidaan suorittaa jo olemassa olevaa teknologiaa. Eye - ainutlaatuinen biologinen mittauslaite, ja käyttämällä se antaa meille hämmästyttävä tutkimusalue josta emme edes tiedä, että he voisivat löytää. Tutkimuksessa, mitä näemme, kun fotonit ovat valtion päällekkäisyys, voi muuttaa ymmärrystämme välisen rajan kvantti ja klassisen maailman, kun tarkkailijalle edes voi osallistua oikeudenkäyntiin outoja vaikutuksia Lomittuminen.

Ihmisen visuaalinen järjestelmä toimii erittäin hyvin, kuten kvantti ilmaisin. Se on verkosto hermoja ja elinten silmämunan aivoihin, joka muuttaa valoa kuvien näemme. Ihmisten ja muiden sukulaisten kesken selkärankaiset on kahdenlaisia ​​elävän ilmaisimen valo: sauvat ja käpyjä. Nämä ovat fotoreseptorisolujen verkkokalvon, valoherkkä kerros takana silmämunan. Kartioita tarjoavat värinäkö, mutta ne tarvitsevat kirkkaan valon työtä. Tikkuja voi nähdä vain mustavalkoisena, mutta sopeutua yö visio ja yhä herkemmin puolen tunnin vietetään pimeässä.

Tikut ovat niin herkkiä, että ne voidaan aktivoida yhden fotonin. Yksi fotoneja näkyvän valon kuljettaa vain muutama elektroni volttia energiaa. (Jopa hyttysen lentävät kymmeniä miljardeja elektroni volttia kineettistä energiaa). Kaskadiketju reaktioita ja takaisinkytkentäsilmukan tässä pienessä tikku vahvistaa signaalin mitattavissa sähköinen vaste neuronien kielellä.

Tiedämme, että sauva voi havaita jopa yhden fotonin, koska sähköinen vastaus sauva yhden fotonin mitataan laboratoriossa. Mikä oli tuntematon viime aikoihin asti, on kysymys: näitä pieniä signaalit läpi muun visuaalisen järjestelmän avulla katsoja voi nähdä jotain tai suodattaa melun ja menetetty. Kysymys on monimutkainen, koska oikeat työkalut testata yksinkertaisesti ei ollut olemassa. Valo, joka säteilee kaikkialla, Auringosta neonvalot, se on vain satunnainen virta fotonien, kuten sade putosi taivaalta. Ei ole mitään keinoa ennustaa milloin seuraava fotoni tai fotonien kuten erityisesti ilmenee ennalta määrätyn aikavälein. Ei ole väliä kuinka himmeä valo on, tämä seikka ei mahdollista varmistaa, että tarkkailijalle todella näkee vain yhden fotonin - hän näkee kaksi tai kolme.

ongelma satunnaisfotonimäärän

Viimeisten 75 vuotta tai niin, tutkijat ovat keksiä näppärä tapoja kiertää ongelmaa satunnaisfotonimäärän. Mutta 1980-luvun lopulla, uuden kentän nimeltään kvanttioptiikan on luonut hämmästyttävä työkalu: lähde yksittäisten fotonien. Se oli täysin uudentyyppinen valoa, jota maailma ei ollut koskaan ennen nähnyt, ja hän on antanut tutkijoille mahdollisuuden tuottaa täsmälleen yhden fotonin samanaikaisesti. Sen sijaan saimme sadetta pipetillä.

Nykyään on olemassa monia reseptejä luomiseen yksittäisten fotonien, mukaan lukien loukussa atomia, kvanttipisteiden ja vikoja timantti kiteitä. Suosikkini resepti - se on spontaani muuttujien hajonta laskevilla taajuuksilla. Voit tehdä tämän, sinun täytyy ottaa laser, ja ohjata se kide beta barium boraatti. Kristallin sisällä laser fotonit spontaanisti jaettu kahteen tytär fotonit. Vastasyntyneelle lapselle pari fotoneja ilmestyy toinen pää kiteen Y-muoto. Toinen vaihe: Yksi tytäryhtiöiden fotonit ja lähettää sen yhden fotonin ilmaisin, joka "piknet", kun se havaitsee fotoni. Koska lapsi fotonit aina parien muodostamiseksi, squeak raportoitu, että on olemassa täsmälleen yksi fotoneja toiseen päähän Y muodossa, valmiina käytettäväksi kokeessa.

On toinenkin tärkeä temppu tutkia yhden fotonin näkymän. Lähetä vain yksi fotoni tarkkailija ja kysyä, "No, näetkö?" - tämä ei ole totta rakennettu kokeilua, koska ihmiset eivät voi vastata tähän kysymykseen objektiivisesti. Emme pidä sanoa "kyllä", jos et ole varma, mutta tämä pieni signaali on vaikea olla varma. Melu näköjärjestelmässä - joka voi tuottaa Phantom flash jopa pimeässä - ja lisää melua. Olisi parasta kysyä tarkkailija, kumpi kahdesta vaihtoehdosta hän haluaisi. Meidän kokeissa me satunnaisesti valita mihin lähettää fotoni - vasemmalle tai oikealle katsojan silmää - ja kussakin kokeessa pyydettiin: "oikea-?". Jos katsoja voi vastata tähän kysymykseen paremmin kuin vain yrittää arvata (joka antaisi parhaimmillaan 50% tarkkuudella), me tiedämme, että hän näkee jotain. Tätä kutsutaan kokeellisen muotoilu pakottaa valintaa ja sitä käytetään usein psykologiaan. Vuonna 2016 tutkijaryhmä Wien johdolla fyysikko alipasha Vaziri Rockefeller yliopistossa New Yorkissa käytössä samankaltainen koe osoittaa, että ihmisen tarkkailija pystyi vastaamaan pakko valita yksittäisen fotonin on parempi kuin yrittää arvata satunnaisesti, ja niin vakuuttavasti se osoitti, että henkilö on todella näkee yksittäisen fotonin. Käyttämällä lähde yksittäisten fotonien kautta spontaani muuttujien sirontaa ja suunnittelu kokeen kanssa pakko valita, tutkijat luotu kaksi mahdollista kokeet, joka voisi tuoda kvantti outouden alalla ihmisen käsitys: testissä käytetään tilan päällekkäisyys ja niin kutsuttu "testi Bella" epälokaaliudesta ja ihmisen tarkkailija .

Päällekkäisyys - ainutlaatuinen kvantti käsite. Kvantti hiukkasia - kuten fotonien - kuvataan todennäköisyys, että tulevaisuudessa mittaus tiettyyn paikkaan. Siksi ennen mittausta, uskomme, että ne voivat olla kahdessa (tai enemmän) paikassa samaan aikaan. Tämä ajatus on sovellettavissa ei vain sijainti hiukkasten, mutta myös muita ominaisuuksia, kuten polarisaatio, jossa viitataan suunta jota pitkin partikkelit jaetaan muodossa aaltoja. Mittaustulosten hiukkasia, koska se oli "romahtaa", romahtaa yhdessä tilassa tai toisella, mutta koskaan ei tiedä tarkalleen, miten tai miksi romahdus tapahtuu.

Ihmisen visuaalinen järjestelmä tarjoaa jännittäviä uusia tapoja tutkia tätä ongelmaa. Yksi yksinkertainen mutta kammottava testi koostuisi ovatko ihmiset kokevat eron fotonin superpositio valtion ja fotoni tietyssä paikassa. Fyysikot kiinnostunut tästä asiasta jo vuosia ja ne tarjoavat joukko lähestymistapoja - mutta tällä hetkellä Tarkastellaan lähde yksittäisten fotonien, kuten edellä on kuvattu, joka tuottaa fotonin vasemmalle tai oikealle näköelimestä. Ensinnäkin voimme toimittaa fotoni on superpositio sijaintia vasemmalle tai oikealle - kirjaimellisesti kahdessa paikassa yhtä aikaa - ja pyytää tarkkailijoita raportoimaan joka puolella, hänen mielestään oli fotonin. Laskennan erot käsitys tilasta päällekkäisyys ja satunnaisia ​​arvauksia välillä "vasen" ja "oikea", kokeilu sisältävät ohjaustason testi ryhmää, jossa fotoneja tosiasiassa lähetetään vasemmalle tai oikealle.

Luo tila superpositio - se on helppo osa. Voimme jakaa fotoni on yhtä suuri päällekkäisyys vasenta ja oikeaa paikkaa käyttäen polarisoivaa säteen jakaja, optinen komponentti, joka lähettää ja heijastaa valoa riippuen polarisaatio. Se pystyy myös tavallisten ikkunalasin - niin näet sekä heijastuneen ja että lasin. Jakajat tee se turvallisesti ennalta määrättyyn mahdollisuus lähetyksen ja pohdintaa.

Standardi kvanttimekaniikan ennustaa, että päällekkäisyys vasemman ja oikean kantoja ei pitäisi olla mitään vaikutusta katsojalle verrattuna fotoni, joka satunnaisesti lentää vasemmalle tai oikealle. Ennen silmän päällekkäisyys vasen ja oikea asema todennäköisesti romahtaa toisella puolella tai toisella niin nopeasti, että kukaan ei huomaisi. Mutta kun kukaan ei pidä tätä kokeilua, emme tiedä varmasti. Tilastollisesti merkitseviä eroja ihmisten osuus, jotka ovat ilmoittaneet puhkeamisen vasemmalle tai oikealle tulee olemaan superpositio odottamaton - ja se voi merkitä sitä, että me emme tiedä kvanttimekaniikka. Katsoja voi myös pyytää kuvailemaan subjektiivinen kokemus käsitys fotonin superpositio. Jälleen standardin mukaan kvanttimekaniikka, mitään eroa ei pitäisi olla - mutta jos se on, se voisi johtaa uusiin fysiikkaa, ja parempi ymmärtäminen ongelma kvantti mittauksen.

Onko mahdollista nähdä sotkeutua hiukkasia?

Ihmiset-tarkkailijat voisivat myös tehdä testin toinen mielenkiintoinen käsite kvanttimekaniikan: takertua. Kietoutuvat hiukkaset ovat kvanttitilat ja käyttäytyvät ikään kuin yhdistetty, riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan.

Testit Bell, nimetty Irlannin fyysikko John S. Bell, tähän ryhmään kokeita osoittaa, että Lomittuminen rikkoo joitakin luonnon käsitykset todellisuudesta. In Bell mittauksen paria juuttuneet hiukkasten osoittavat tuloksia, joita ei voida selittää mihinkään teoriaan, se on voimassa periaate paikallisen realismia. Paikallinen realismia - pari näennäisesti ilmeinen oletuksia. Ensimmäinen - tämä paikkakunta: asioita, jotka ovat kaukana toisistaan, ei voi vaikuttaa toisiinsa nopeammin signaali kulkee niiden välillä (ja suhteellisuusteoria kertoo, että tämä nopeus - valon nopeus). Toinen - se on realismia: asiat fyysisessä maailmassa on aina erityisominaisuuksia, vaikka ei mitata eikä vuorovaikutuksessa mitään muuta.

Ydin Bell testi on se, että annetaan kaksi hiukkaset, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja jäädä kiinni, ja sitten me jakaa niitä, ja mittaa kukin. Pidämme useita mittauksia - esimerkiksi mitata polarisaation kahteen eri suuntaan - ja sopia, mikä niistä on suorittaa "vahingossa" niin, että kaksi hiukkasta ei voi "sovittaa" tuloksia etukäteen. (Kuulostaa oudolta, mutta kun se tulee Kvanttimaailmassa, asiat saavat outoja). Koe toistettiin useita kertoja ja uuden parin hiukkasten avulla on mahdollista kerätä tilastollinen tulos. Paikallinen realismia asetetaan tiukkoja matemaattinen rajaa kuinka paljon tulokset kahden hiukkasten täytyy korreloida, jos ei sido joitakin outo tapa. Kymmenissä Bella rajan testeihin katkesi, osoittaa, että kvanttimekaniikka ei kuulu paikkakunnan, realismia vai molempia. Sotkeutua fotonit ovat yleensä joukossa edullisten hiukkasten Bell testi, mittaus ja rikkovat paikallisia realismia tuottaman sähköisen yhden fotonin ilmaisimet. Mutta jos ihmiset näkevät yksilön fotonit, tarkkailija voisi korvata yhden näistä ilmaisimet, pelaa suora rooli tarkastuksesta paikallinen realismia.

Sopivasti spontaani muuttujien muutosta voidaan myös käyttää tuottamaan sotkeutua fotonit.

Miksi tarvitsemme tällaista koetta? Lisäksi syrjäytymistä aiheuttava tekijä, on olemassa vakava tieteellisistä syistä. Syy siihen, miksi ja miten päällekkäisyys valtion romahtaa sukupolven tietyn tuloksen, se on edelleen yksi suurimmista mysteereistä fysiikan. Tarkista kvanttimekaniikka uudella, ainutlaatuisella, ready-to-mittauslaite - ihmisen visuaalinen järjestelmä - voisi jättää tietyt teoriaa. Erityisesti, on olemassa useita teorioita makrorealizme, mistä seuraa, että on olemassa vielä tuntemattomien fysikaalinen prosessi, joka aina johtaa siihen, että koostumus on suuria esineitä (kuten Silmän ja kissat) romahtaa hyvin nopeasti. Tämä merkitsisi sitä, että päällekkäisyys suurten esineiden on lähes mahdotonta - mutta ei epätodennäköistä. Nobel-palkittu fyysikko Anthony Leggett ja University of Illinois kehittää aktiivisesti testit tällaisten teorioiden. Jos kokeet päällekkäisyys, johon osallistuivat ihmisen visuaalisen järjestelmän näkyi selvä poikkeama tavanomaisista kvanttimekaniikka, se osoittaa, että makrorealizm varsin merkittävä.

Ajatelkaapa, kuinka monia mielenkiintoisia tuloksia kustakin maasta, tutkimus kvanttimekaniikan - ja kuinka paljon meillä on vielä löytää. Kaiken, mitä voi lukea ja meillä on Zen.