KDPV aus der Weite des Netzwerks.
1. Einleitung
Experten der Quantenoptik interessieren sich seit langem für das menschliche visuelle System, das wahrscheinlich für einzelne Photonen empfindlich ist. Frühe Experimente waren durch die Inkohärenz der Emission von klassischen Lichtquellen begrenzt, aber die Ära der echten Einzelphotonenquellen und der abstimmbaren Photonenstatistik hat neue Forschungsbereiche eröffnet, einschließlich der Messung der Quanteneffizienz von Photorezeptorstäben in der Dämmerung des Auges (etwa 33%) [1] und der Messung der Statistik von Photonen aus verschiedenen Lichtquellen in denen Stäbe als Sensoren verwendet werden [2]. Ein kürzlich durchgeführtes Experiment lieferte den besten Beweis dafür, dass das visuelle System ein Photon erfassen kann [3], während ein anderes die zeitliche Summierung im visuellen System für mehrere Photonen untersuchte [4].Diese Fortschritte in der Einzelphotonen-Vision-Forschung bieten eine einzigartige Gelegenheit, Quanteneffekte mit dem visuellen System zu untersuchen, einschließlich Überlagerung und Verschränkung. Dieser Artikel bietet einen kurzen Überblick über frühere Forschungen zum Einzelphotonensehen und zu den aktuellen Fähigkeiten und schlägt zwei Experimente vor, um die Wahrnehmung des Überlagerungszustands und die Verwendung eines menschlichen Beobachters als Detektor im Bell-Test zu untersuchen.
2.
Bald nach dem Aufkommen des Konzepts des Lichts als Photonen im frühen 20. Jahrhundert wurde klar, dass die Statistik einzelner Photonen wahrscheinlich wichtig für die Bestimmung der unteren Schwelle des menschlichen Sehens ist [5]. Eines der frühesten und bekanntesten Experimente mit niedrigerer Schwelle wurde 1942 von Hecht, Schleer und Pirenne durchgeführt [6]. In ihren Studien beobachteten die Probanden sehr schwache Lichtblitze mit einer durchschnittlichen Anzahl von Photonen im Bereich von 50 bis 400. Nach jedem Blitz wurden die Probanden (jeder der drei Koautoren der Studie) gefragt, ob sie sichtbar sind oder nicht. Die durchschnittliche Anzahl von Photonen in Fackeln wurde variiert und es wurde bestimmt, wie oft die Probanden eine Fackel auf jeder der Ebenen entdeckten. Unter der Annahme, dass die Anzahl der vom visuellen System in jedem Test detektierten Photonen eine Zufallsvariable ist, die der Poisson-Verteilung folgt,und dass eine bestimmte Schwellenzahl von Photonen n für die Wahrnehmung erforderlich war, haben Hecht et al. berechnete, dass die Schwelle für das Sehen je nach Subjekt zwischen 5 und 7 Photonen lag (Abb. 1).
Zahl: 1. Daten von Hecht et al. [6]. Die Anpassung des Poisson-Modells zur Messung der Beziehung zwischen der durchschnittlichen Anzahl von Photonen in Fackeln und der Häufigkeit, mit der das als sichtbar gemeldete Subjekt sichtbar ist, ergibt eine Schätzung der visuellen Schwelle n.
Dieses Experiment war eines der ersten, das Beweise dafür lieferte, dass Stäbe auf einzelne Photonen reagieren können: Lichtblitze fielen auf einen Bereich mit etwa 500 Stäben, so dass, wenn nur 5-7 Photonen nachgewiesen wurden, kein einzelner Stab mehr als einen erfassen konnte. Dieses Experiment weist jedoch mehrere Probleme auf, die zu einer Überschätzung dieser Werte führen können. Am wichtigsten ist die Aufforderung, einfach zu melden, ob der Ausbruch bemerkt wurde oder nicht, was aufgrund möglicher falsch positiver Reaktionen der Probanden zu einer Überschätzung der Schwelle im Vergleich zur wahren führen könnte.
Darüber hinaus fanden sie in späteren Experimenten, in denen Probanden angewiesen wurden, schwache Lichtblitze auf einer Skala von 0 bis 6 zu bewerten, eine mögliche niedrigere Schwelle für das Sehen von nur einem Photon (für einige Probanden) [7]. In-vitro-Messungen einzelner Stabzellen haben auch gezeigt, dass die Zellen diskrete elektrische Signale als Reaktion auf schwache Lichtstöße mit minimalen Signalpegeln erzeugen, die einzelnen Photonen zu entsprechen scheinen [8] (siehe Abb. 2).
Alle diese Experimente waren jedoch durch die Inkohärenz der Strahlung von klassischen Lichtquellen begrenzt, die keine einzelnen Photonen erzeugen können. Die Entwicklung von Einzelphotonenquellen hat neue Möglichkeiten in der Visionsforschung geschaffen, die in Abschnitt 3 erörtert werden.
. 2. () . , , . () t = 0. ~1, ~500. () , . 1 2 [9].
3.
Einzelphotonenquellen wurden für die Quantenoptik- und Quanteninformationsforschung entwickelt und umfassen Quellen, die auf Einzelatomen [10], stickstoffsubstituierten Leerstellen in Diamant [11, 12], Quantenpunkten [13] und spontaner parametrischer Streuung mit abnehmender Häufigkeit ( spontan) basieren parametrische Abwärtskonvertierung - SPDC) [14]. SPDC-Quellen sind in vielerlei Hinsicht ideal für Einzelphotonen-Sichtstudien, da sie sehr hell sein können, Licht in einem weiten Wellenlängenbereich emittieren können (Stäbe sind um 500 nm am empfindlichsten) und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, der hauptsächlich durch optische Verluste begrenzt ist. Mit einigen Modifikationen können sie auch leicht polarisationsverschränkte Photonenpaare und andere Freiheitsgrade erzeugen [15].
In Abb. 3 zeigt ein Beispiel einer SPDC-Dampfquelle, die in unserem Labor entwickelt und für die Erforschung des menschlichen Sehvermögens optimiert wurde [16, 17]. Die Ankündigungseffizienz dieser Quelle (die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon an einen Beobachter gesendet wird, wenn das Messenger-Photon detektiert wird ) betrug 38,5%. Es erzeugt einzelne Photonen mit einer Wellenlänge von 505 nm nahe dem Peak der spektralen Empfindlichkeit der Stäbe.
. 3. . (VA). 562 505 (BBO); 562- (SPAD) ( , ) FPGA. 505- 25- , (PBS) (FPC); (PC), PBS. . 505- (HWP) PBS, (. 4). 505 , .
Zur Untersuchung des menschlichen Sehens ist auch eine Beobachtungsstation erforderlich, mit deren Hilfe Photonen an die Augen des Probanden abgegeben werden (Abb. 4). Mit unserer Station können Sie Photonen an einen oder zwei räumlich getrennte Punkte der Netzhaut in einem Winkel von ungefähr ± 16 Grad links und rechts von der Fovea abgeben- zentrale Fossa. Diese Funktion ermöglicht ein verbessertes experimentelles Design im Vergleich zu Hecht et al.: Anstatt die Probanden zu fragen, ob sie ein Photon gesehen haben oder nicht, kann man zufällig (unter Verwendung von PC und PBS, wie in 3 gezeigt) ein Photon nach links oder rechts senden Zeigen Sie und fragen Sie, wo er gesehen wurde. Dadurch wird der künstliche Schwelleneffekt beseitigt, der auftreten kann, wenn das Subjekt aufgefordert wird, das Vorhandensein oder Fehlen eines Stimulus zu bewerten. Wenn die Probanden "links" oder "rechts" mit einer Genauigkeit von deutlich mehr als 50% wählen, können wir daraus schließen, dass sie den Reiz gesehen haben. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass aufgrund des relativ hohen optischen Verlusts in den Augen (geschätzte ~ 90-97%) normalerweise eine große Anzahl langer Testreihen erforderlich ist, um den Effekt zu demonstrieren.da in den meisten von ihnen die Subjekte das Photon nicht tatsächlich erfassen.
Wir haben diese Quelle verwendet, um zu untersuchen, wie das visuelle System Photonen innerhalb eines kurzen Zeitfensters zusammenfasst [4], andere verwendeten eine ähnliche SPDC-Quelle und einen anderen Versuchsaufbau (Ersetzen von links und rechts durch frühere und spätere Photonenlieferzeiten), um dies zu zeigen dass Testpersonen für einzelne Photonen eine Genauigkeit von über 50% erreichen können. Nachfolgende Untersuchungen mit einer viel größeren Anzahl von experimentellen Versuchen und einem verbesserten experimentellen Design (einschließlich einer gleichen Anzahl von Kontrollversuchen, bei denen keine Photonen vorhanden sind) werden wesentlich sein, um dieses Ergebnis zu bestätigen. Wir glauben jedoch, dass Menschen tatsächlich in der Lage sind, einzelne Photonen zu detektieren. Eine aufregende Gelegenheit istdass eine ähnliche Einzelphotonenquelle nun verwendet werden kann, um Quanteneffekte unter Verwendung des visuellen Systems zu untersuchen. Die beiden vorgeschlagenen Experimente werden in Abschnitt 4 vorgestellt.
Abbildung 4. Sichtfeld des Probanden und schematische Draufsicht auf die Beobachtungsstation. Das Fixierungskreuz (im nicht maßstabsgetreuen Sichtfeld dargestellt) besteht aus einer schwachen 700-nm-LED hinter einer Fadenkreuzmaske (Stäbe sind unempfindlich gegenüber weit roten Wellenlängen). Der linke und der rechte Strahl sind auf das rechte Auge des Motivs ausgerichtet, wenn das Motiv auf der Kinnstütze fixiert ist.
4. Vorgeschlagene Experimente: Überlagerung und Verschränkung
Wenn eine Person einzelne Photonen detektieren kann, eröffnet sich uns eine Vielzahl spannender Arbeiten und Experimente. Indem wir untersuchen, wie Subjekte direkt mit Quantenphänomenen interagieren und diese messen, können wir die Vorhersagen der Standardquantenmechanik testen und dem menschlichen Beobachter sogar eine direkte Rolle im lokalen Realismus-Test geben.
4.1
. 5. (a) /, . (HWP) 0°, 45°, , . . (b) . HWP 22.5°, (V) (D), V. (PBS) , . , , () , .
Ein relativ einfacher Test, den wir durchführen können, besteht darin, festzustellen, ob Menschen einen Unterschied zwischen einem Photon in einem Überlagerungszustand und einem klassischen Mischzustand wahrnehmen. Das Überlagerungsexperiment im visuellen System ist seit vielen Jahren von großem Interesse, und es wurden verschiedene Ansätze vorgeschlagen [18, 19]. Um dieses Experiment durchzuführen, können Sie das in Abb. 1 gezeigte Setup verwenden. Zusätzlich zu Tests, bei denen ein Photon entweder auf der linken oder der rechten Seite der Netzhaut vorhanden ist, können Tests auch mit einem Photon durchgeführt werden, das zufällig in einer Überlagerung der linken und rechten Seite dargestellt ist. Dies wird leicht durch Drehen der in Fig. 1 gezeigten Halbwellenplatte erreicht. 5 auf die 22,5 ° Position, um den Zustand zu erhalten
Wie beim Einzelphotonen-Sehtest wird der Proband gebeten zu melden, von welcher Seite der Blitz in jedem der Tests sichtbar war. Nach der Standardquantenmechanik sollte es keinen Unterschied in der Wahrnehmung zwischen derselben Überlagerung und derselben klassischen Mischung geben. Jeder statistisch signifikante Unterschied im Verhältnis der linken und rechten Antworten zwischen diesen beiden Bedingungen (nach sorgfältiger Abwägung einer Abweichung in der Hardware) weist auf einen unerwarteten Effekt hin und kann Auswirkungen auf alternative Interpretationen der Quantenmechanik haben (z. B. Makrorealismus [20, 21]).
4.2 Glockentest mit menschlichem Beobachter
Zahl: 6. Vereinfachtes Schema des Bell-Tests mit Ersatz eines Detektors durch einen menschlichen Beobachter. Wenn einer der Detektoren auf Seite A anzeigt, dass das Photon mit dem gemessen wurde, , . - : (PC) , (HWP) . PC , HWP ( ). (LC) .
Ein weiteres aufregendes Experiment, das wir durchführen können, ist das Testen des lokalen Realismus mit einem menschlichen Beobachter als Detektor. Der erste Schritt wäre, einen Detektor durch einen menschlichen Beobachter und den anderen durch Messungen mit unserem hocheffizienten Photonenzähler zu ersetzen (siehe Abbildung 6). Durch gleichzeitiges Pumpen von zwei orthogonalen nichtlinearen Kristallen kann man polarisationsverschränkte Photonenpaare erhalten [15, 22, 23]. Dann kann man die bekannte CH - Ungleichung ( Clauser-Horne ) verwenden [24], die das Gelenk verbindet und Single Wahrscheinlichkeiten für Einstellungen zu Polarisationsanalysatoren A und B:
Es kann gezeigt werden, dass jede Theorie, die den lokalen Realismus unterstützt, dieser Ungleichheit gehorchen muss. Im ersten Experiment verwenden wir Einzelphotonendetektoren, um alle Terme außer zu messen... Bei Verwendung der optimalen Einstellungen für die Analyse, vereinfacht sich die Ungleichung zu
Wo - die Wahrscheinlichkeit, dass das Subjekt mit der Messeinstellung ein Photon auf seiner Seite (A) erkennt Auf Seite (B) wird mit der Messeinstellung ein Photon erfasst ... Also wennüberschreitet der Wert von 0,28 mit einem statistischen Signifikanzniveau, wird die CH-Ungleichung verletzt.
Ein Design mit erzwungener Auswahl, ähnlich dem Einzelphotonen-Sehtest, kann verwendet werden, um die geringe Wahrscheinlichkeit zu steuern, dass das Subjekt in einem der Tests ein Photon erkennt. Wenn die Messung auf Seite B das gewünschte Ergebnis für den Term anzeigtDas verschränkte Photon dreht sich weiter nach links / rechts (wie in Fig. 5a gezeigt) und ist zufällig auf eine Seite des Sichtfelds des Subjekts gerichtet. Zusätzlich wird ein nicht verwickeltes Photon mit einer Wahrscheinlichkeit von 28% auf die andere Seite des Sichtfelds eingespeist. Das Subjekt beurteilt unabhängig, ob auf beiden Seiten ein Photon vorhanden war. WennDas Subjekt sieht die Seite mit dem verschränkten Photon so oft, wie es die Kontrollseite (nicht verwickelt) sieht. Wenn sie die verwirrte Seite signifikant häufiger sehen als die Kontrolle, verletzt die Messung die CH-Ungleichung. Beachten Sie, dass bei einem solchen Test die Lücken "Timing" und "Erkennung" kaum berücksichtigt werden . Es wird jedoch immer noch eine einzigartige und interessante experimentelle Studie sein.
5. Schlussfolgerung
Nachdem Experimente mit Einzelphotonenquellen gezeigt haben, dass Menschen wahrscheinlich einzelne Photonen nachweisen können, kann eine Vielzahl interessanter neuer Experimente sowohl in der Physik als auch in der Psychologie vorgeschlagen werden. Dieser Artikel überprüfte frühere Forschungen zur Untergrenze des menschlichen Sehens und präsentierte zwei mögliche Experimente zum Testen der Quantenmechanik unter Verwendung des visuellen Systems, einschließlich Überlagerungs- und Verschränkungszuständen. Das Hauptproblem für diese und andere Einzelphotonen-Vision-Experimente wird die geringe Wahrscheinlichkeit sein, dass ein Photon zu Photorezeptoren übertragen und in separaten Tests nachgewiesen wird (möglicherweise 5-10%, eine absolut wirksame Quelle), und dementsprechend die Notwendigkeit sehr großer Testreihen.
Trotz der Tatsache, dass die Anwesenheit einer Person als Beobachter die vorgeschlagenen Experimente einzigartig und interessant macht, betonen wir, dass sie den Einfluss des Bewusstseins des Beobachters auf die Ergebnisse dieser Experimente nicht testen sollen; Vielmehr nutzen diese Experimente die einzigartige Kraft des visuellen Systems, um die Vorhersagen der Quantenmechanik zu testen, und können sogar experimentelle Einschränkungen für alternative Aussagen wie Makrorealismus klären.
Es gibt auch eine Reihe interessanter psychophysischer Studien, die unsere Einzelphotonenquelle verwenden kann. Andere Aspekte der Zeitstapelung bei den niedrigsten Beleuchtungsstärken können untersucht werden, z. B. ob schwaches Licht als quantisiert wahrgenommen wird. Unter Verwendung deformierbarer Spiegel und räumlicher Lichtmodulatoren kann die räumliche Stapelung untersucht werden, indem die Größe des Stimulus mit niedrigen Photonen auf der Netzhaut variiert wird. Fortgeschrittenere Quellen, die Zustände mit einer höheren Anzahl von Photonen erzeugen können [25], können auch verwendet werden, um die visuelle Empfindlichkeitsfunktion für eine genau festgelegte Anzahl von Photonen zu messen.
REFERENZLISTE
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Ergänzungen des Übersetzungsautors
In einigen Online-Publikationen mit populärwissenschaftlichen Themen erschienen Publikationen zum Thema des Artikels und zur laufenden Forschung ( 1 , 2 ). Sie bieten zusätzliche Überlegungen im Zusammenhang mit der geplanten Forschung.
Zitat mit Übersetzung von 1
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Artikel 2 ist fast vollständig auf eine der Ressourcen übersetzt und enthüllt den Namen des ideologischen Inspirators dieser Studien.
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Kommentare des Übersetzungsautors
Kommentare können explizit oder implizit die Meinung des Autors zu den präsentierten Themen enthalten.
- Ein Überblick über andere Forschungen in der Quantenoptik unter Verwendung des Auges als Detektor für Quanteneffekte.
- Das Kriterium für Makrorealismus ist Erklärung und Prüfung.
- Die Rolle subjektiver Zustände in der physikalischen Beschreibung.