Тестирование пределов зрения человека квантовыми состояниями света: прошлые, настоящие и будущие эксперименты

Эксперимент с суперпозицией в зрительной системе представлял большой интерес в течение многих лет, и было предложено несколько подходов

На рис. 3 показан пример SPDC источника пар, разработанный в нашей лаборатории и оптимизированный для исследований человеческого зрения

Представленные в статье исследования и предложения носят междисциплинарный характер. Авторами статьи (это был доклад на конференции) являются, как физики — Группа Квята по квантовой информации (Kwiat PubFacts) из Иллинойского Университета, США, так и специалист по когнитивистике Раньсяо Ф. Ванг (Wang PubFacts), сотрудник того же университета. Это обстоятельство послужило одной из причин выбора данной статьи для перевода среди других статей этой тематики. Также тем, что автор перевода сам занят в исследованиях и разработках носящих междисциплинарный характер. Считаю, что за ними будущее в объяснении многих загадочных феноменов и проблем современной науки. В статье сбалансированный подход к постановке и решению задач, как со стороны физики явления, так и психофизиологических аспектов.

Эта работа не первая в которой глаза использовались в исследованиях квантовых явлений. Наибольший интерес вызвала работа с участием известного специалиста по квантовой физике Н. Гисина в рамках исследования «микро-макро» запутанности (P. Sekatski at al (2009), P. Sekatski at al (2010)). Авторы работ теоретически обосновали использование в тесте Белла, в качестве источника света для глаз, усиление (клонирование) однофотонных кубитов в нелинейном кристалле, основываясь на исследованиях под руководством другого известного физика Ф. Де Мартини (F. De Martini et al. (2008), F. De Martini et al. (2009)). В общем виде схема этого эксперимента выглядит следующим образом:

Источник производит 2 запутанных фотона. Левый измеряется с помощью однофотонных детекторов (SPD), правый усиливается с помощью вынужденного излучения в нелинейном кристалле X. Клоны расщепляются на две ортогонально поляризованные моды и детектируется с помощью глаз, моделируемых, как потери в 2-х пороговых детекторах. Базис поляризации может варьироваться с помощью волновой пластины φ.

В такой постановке эксперимента может быть рассмотрено несколько вариантов запутывания, в зависимости от свойств механизма клонирования, включая вариант рассмотрения усиленного сигнала, как «макро-кубита», разные поляризационные моды которого могли детектироваться с помощью глаз. Напомню, что глаз может воспринимать поляризацию света. Эти варианты, за исключением микро-микро запутывания, не являются истинно запутанными с точки зрения квантового описания, но могут рассматриваться как переходные формы от квантового мира к классическому.

Однако, теоретические изыскания группы Н. Гизина, связанные с подготовкой к проведению этого эксперимента, подверглись критике, в частности, со стороны самого Ф. Де Мартини. Он опубликовал статью с критикой подхода связанного с использованием зрительной системы в качестве квантового детектора (F. D. Martini (2009)). Приведу цитату из этой публикации, т.к. утверждения в ней будут полезными, для понимания дальнейшего изложения:

… глаз человека, как и любой другой орган чувств, не может быть принят в качестве действительного ”измерительного аппарата” в рамках любого эксперимента, включающего квантово-механический процесс. Как неоднократно заявлял Н. Бор, этот аппарат должен быть ”классическим”, поведение которого надежно следует хорошо установленным, детерминистским законам классической физики[2]. Это ярко выразил Дж. А. Уилера [3]: ”феномен не является феноменом, пока он не зарегистрирован, то есть не доведен до конца необратимым актом усиления". Измерительный прибор должен состоять из трех частей: а) детектора, например, фотокатода или зерна бромистого серебра, и т.д., который осуществляет редукцию квантовой волновой функции; б) классического усилителя; в) регистрирующего или запоминающего устройства, которое записывает результат измерения в виде действительного числа. Последняя часть прибора является совершенно необходимым элементом для того, чтобы ”довести до конца” измерение и затем установить ”явление”. Напомним здесь, что ”стирание памяти” было необходимым концептуальным шагом, предпринятым Ч. Беннеттом для разрешения знаменитого ”парадокса демона Максвелла" [4]. Измерение — это гораздо больше, чем просто восприятие, т.е. солипсический процесс. Любой результат измерения должен быть доступен как ”наблюдателю”, так и независимому научному сообществу, с помощью которого он может быть поднят до уровня ”данных”, готовых быть принятыми научной теорией. Совершенно очевидно, что глаз не соответствует этим требованиям по нескольким причинам. Во-первых, ”записывающее устройство" недоступно, и находится буквально в голове наблюдателя. По этой причине результаты измерений не могут быть независимо рассмотрены другими наблюдателями. Во-вторых, мы не знаем, какой ”ментальный указатель", или ментальный счетчик, или ментальный алгоритм масштабирования может быть принят для того, чтобы надежно и воспроизводимо преобразовать уровень синаптического электрического поля в один из множества ортогональных результатов, выражающих обнаруженную интенсивность света, т.е. единственный ”наблюдаемый”, доступный для глаза. На самом деле ”указатель", находящийся где-то в мозгу наблюдателя, должен быть способен выделить определенный ортогональный результат А, скажем А = 3, а не А = 2 или А = 4. В-третьих, в то время как роль сетчатки и динамика возбуждения оптического нерва можно считать вполне изученными, сложная синаптическая трасмиссия к ”реентерабельной” таламо-кортикальной системе мозга [5] и последующее установление различных уровней памяти [6] неясны, и сегодня являются предметом передовых исследований в области нейробиологии. В настоящее время мы точно знаем только некоторые феноменологические свойства мозга. Например, что усиление оптического нерва сильно нелинейно, и что общая зрительная эффективность легко насыщается. Кроме того, некоторые препараты, такие как алкоголь и бетакаротин (содержащийся в моркови или помидорах), не говоря уже о других, более опасных препаратах, могут оказывать сильное и противоположное влияние на параметры зрительной системы, ее быстродействие, нелинейность и эффективность. В самом деле, слишком много слабо контролируемых явлений может одновременно происходить в нашей голове в любой момент: восприятие, эмоции, желания, фантазии, рациональные и иррациональные мысли, все что относится к разнообразной сфере ”сознания”. Затем, хотя мы в значительной степени симпатизируем открытости ума, обнаруженной в работах, связанных с исследованием роли сознания в измерениях, проделанных такими учеными, как фон Нейман[7], Паули[8], Вигнер [9], Стэпп [10] и другими, мы не можем удержаться от проявления нашей оппозиции, когда имеем дело с серьезными реальными экспериментами и теориями. Подводя итог, мы полагаем, что сегодня и, возможно, в течение очень продолжительного времени в будущем детектирование с помощью глаз следует рассматривать, как в значительной степени бесполезную ”эпистемическую мешанину”, когда оно связано с квантовыми измерениями.… чтобы иметь возможность измерять различные сигналы, два глаза не могут принадлежать одному и тому же человеку из-за физиологического слияния связанных восприятий в неразрывно взаимосвязанных оптических нервах, достигающих разные полушария одного и того же мозга. Поэтому глаза должны принадлежать двум разным наблюдателям.

Далее анализируются теоретические расчеты по обоснованию эксперимента и указываются ошибочные предположения в них. Кроме того, анализ проведенный самим Н. Гизином показал, для микро-макро запутанного состояния положительный результат теста Белла будет всегда получаться в такой постановке эксперимента, из-за больших потерь в клонирующей машине и глазе (лазейка детектирования). Ответ Н. Гизина на критику последовал в статье о результатах исследования проведенного совместно с нейрофизиологами, т.е. носящего междисциплинарный характер (G. Manasseh at al. (2013)). Отличный ход! Такое можно только приветствовать, проявление настоящего профессионализма. Действительно, чтобы максимально контролировать проведение подобного эксперимента, и корректно интерпретировать его результаты, необходимо учитывать работу всего тракта зрительной системы человека, а не ограничиваться модельным представлением глаза, как порогового детектора. В противном случае результаты исследований могут оказаться под критикой уже со стороны специалистов по нейрофизиологии зрения. В проведенном исследовании квантовая эффективность зрительной системы рассматривается в рамках психофизической задачи обнаружения сигнала на фоне шумов разного происхождения, на всех этапах ее функционирования, начиная с сетчатки, и завершая принятием решения об обнаружении стимула в высших отделах зрительного коры мозга. Однако стандартный для таких исследований опрос обнаружения стимула был дополнен методами объективного контроля в виде регистрации времени реакции обнаружения, и многоканальной записи ЭЭГ вызванных потенциалов. Основные результаты исследования состоят в выявлении и оценке механизмов ограничения чувствительности обнаружения световых стимулов в сравнении с интактной регистрацией фотонов палочками, в частности, влияния темнового шума, адаптационных и мотивационных факторов. Было установлено, что для неподготовленных испытуемых в среднем требуется 70 фотонов, чтобы вызвать восприятие света в 50% случаев. В значительной степени это подтвердило критику Ф. Де Мартини, и возможно подвигло Н. Гизина приостановить работу в этом направлении, т.к. других публикаций с его участием по этой тематике больше не было. Мой поиск результатов не принес.

Однако это не остановило других исследователей, включая его соавторов по теме, продолжить поиск других вариантов тестирования квантовых эффектов с использованием глаз (см., например, V. C. Vivoli at al. (2016), A. Dodel at al. (2016)).
Что заставило Квята вновь вернуться к этой идее спустя несколько лет с учетом того, что ему точно было известно о результатах Гизина, т.к. они выполняли несколько совместных работ по проблемам запутанности и нелокальности (B. G. Christensenat at al. (2015), и др.)? Вероятно, причин несколько. Первая, работа изначально планировалась как междисциплинарная. Команда Квята разработала собственный вариант экспериментальной установки с однофотонным источником, специализированной на изучение свойств зрительной системы, с эффективным контролем числа фотонов, что позволяет повысить результативность испытаний и сократить их количество. Среди заявленных задач исследований — суммация фотонов в фоторецерторах в разных условиях имеет, как теоретическое для когнитивной психологии, так и прикладное для квантовой биометрии (A. Margaritakis at al. (2018)), значение. Возможно исследование эффектов суперпозиции и запутанности всего лишь интересное приложение — вишенка на торте) Удалось же получить фотографию квантовой запутанности фотонов после стольких лет исследований и попыток! Вторая, более широкая постановка задачи в сравнении с тестами квантовых эффектов, связанная с проверкой макрореализма, поиска границы отделяющей микро и макромир, инспирированная Э. Леггеттом, который является сотрудником того же университете, что и Квят (см. далее). Третья, иной подход к доставке фотонов в глаз, связанный с конструкцией наблюдательной станции, позволяющей направлять фотоны в разные позиции глаза. Это позволяет уменьшить число ложноположительных ответов испытуемых при обнаружении событий. Пока, по прошествии более чем годичного срока со дня публикации статьи, новой информации о воплощении намеченных планов или полученных результатах от группы Квята не появлялось.

Хотя исследования на эту тему находятся в стороне от основных направлений исследований в квантовой физике, настойчивость с которой физики пытаются использовать зрительную систему в качестве детектора в квантово-оптических экспериментах требует поиска причин. Кроме некоторых практических соображений, они имеют отношение к проблеме измерений в КМ, которая, в том или ином виде, исследовалась многими известными физиками, включая создателей КМ. Об этом упоминается в цитате из статьи Ф. Де Мартини выше, как о роли сознания наблюдателя в квантовых измерениях, хотя он выразил скептическое отношение к этой стороне творчества физиков. Цитата из другой публикации (V. C. Vivoli at al. (2016)):

Мотивации для такого эксперимента разнообразны. Во-первых, это увлекательная попытка приблизиться к квантовому миру. Действительно, концептуально это отличается от стандартных экспериментов по квантовой оптике, где измерения выполняются детекторами фотонов, и единственная роль экспериментаторов в процессе измерений заключается в анализе экспериментальных данных, хранящихся на компьютере. Предполагаемый эксперимент унитарен вплоть до глаза, коллапс до него не происходит. Во-вторых, если хорошо интегрированные источники, работающие при комнатной температуре, доступны для квантово-оптических экспериментов, то для разработки эффективных, бесшумных и простых в использовании фотонных детекторов, работающих при комнатной температуре, предпринимаются немалые усилия [5]… Доказательство того, что инструментарий квантовой оптики, такой как сдвиг в фазовом пространстве, может быть использован для усовершенствования человеческого глаза, как детектора, до такой степени, что он может быть использован в экспериментах, является новой парадигмой для прикладной физики. В-третьих, такой эксперимент связывает квантовое излучение и биологические системы. Вдохновленный успехами квантовой оптики в революционных изменениях технологий связи [6], метрологии [7], зондирования [8] или вычислений [9], этот эксперимент нового типа может найти широкое применение в биомедицинских исследованиях.

Действительно, эксперименты с такой постановкой приближают квантовый мир к процессу восприятия, минуя промежуточный измерительный прибор, преобразующий результат квантового измерения в макроскопическую форму представления, на которую глаз настроен эволюционно. Но эти настройки не являются чем-то неизменным, биологические структуры чрезвычайно адаптивны, включая нейропластичность мозговых структур. Это известно, как из когнитивных исследований, так разнообразных клинических случаев. Эта адаптивность используется в реабилитации нарушений когнитивных структур и способностей, включая нейропротезирование, в перспективе с использованием нейроинтерфейсов и систем ИИ. Эти технологии потенциально способны помочь в решении задачи непосредственного восприятия квантовых явлений минуя зрительную систему.

Известны возражения против возможности такого восприятия с помощью глаз, связанные с тем же темновым шумом, который определяется тепловым шумом в фоторецепторах, и шумами в вышележащих отделах зрительной системы. Подобное ограничение известно и для фотоэлектронных устройств, в которых темновой шум ограничивает их чувствительность, определяя пределы пространственно-временного разрешения. Еще большую проблему для восприятию квантовых явлений представляет сам принцип организации и функционирования вышележащих отделов зрительной системы (состоящий в топической организации и проективном характере связей визуальных зон — ретинотопии, но это относится и к другим сенсорным системам), связанный с пространственно-временной суммацией поступающей из глаз информации. Известны суммативные способности нейронов, на которых основываются модели формальных нейронов в искусственных нейросетях. Структура этих сетей, в особенности сверточных, напоминает организацию нейросетей зрительной системы (вентрального пути). Менее известно следствие такой способности для всей зрительной коры, которое можно охарактеризовать, как нелинейную фильтрацию поступающей информации, приводящую к ее компрессии. Это одна из тем когнитивных исследований, присутствует также в списке планируемых командой Квята, связана с суммативными свойствами фоторецепторов глаза. С одной стороны, суммация позволяет противостоять шуму и получать информацию о слабых стимулах, иногда носящих подпороговый характер, с другой, выделять и классифицировать образы на разных пространственно-временных масштабах. Этот процесс схематично проиллюстрирован в одном из исследований на эту тему (J. Zhou at al. (2017)):
Дополнительно, исходная информация претерпевает преобразования, например, исходная кодировка длиной волны света в зрительном тракте, в зрительной зоне V4 преобразуется в контекст-зависимое цветовое представление. Маловероятно, что после таких трансформаций специфическая информация связанная с квантовыми эффектами может сохранится. Об этом же пишет Ф. Де Мартини, как о невозможности измерения двух разных сигналов из-за слияния информации в зрительной системе, и эту проблему не решит предлагаемое им разнесение сигналов для наблюдения разными испытуемыми. Для того чтобы квантовый мир действительно приблизился к непосредственному восприятию нужны иные решения, в обход эволюционных ограничений — заводских настроек по умолчанию)

эти эксперименты используют уникальные возможности зрительной системы для проверки предсказаний квантовой механики, и даже могут прояснить экспериментальные ограничения на альтернативные предложения, такие как макрореализм.

Макрореализм связан с проверкой наличия границ отделяющих макроскопический уровень реальности от квантового, и предполагает выполнение следующих двух условий:
I. Некоторый макроскопический объект, обладающий двумя или более возможными макроскопически различимыми состояниями, в любой момент времени находится только в одном из этих состояний.
II. Неразрушающая измеримость: в принципе возможно определить, в каком из этих состояний находится система, не оказывая никакого влияния на само это состояние или на последующее поведение системы.

Для проверки выполнения этих условий Леггетт и Гарг в 1985 г. вывели неравенство, кот. должно нарушаться в экспериментах, если предположения о макрореализме не выполняются, тем самым подтверждая предсказания КМ. Этот тест дополняет тест Белла для запутанных частиц (проверки выполнения локального реализма для квантовомеханического описания), в частности, для случая одной частицы. Из нескольких экспериментальных проверок наиболее удачной считается проверка перемещения атомов цезия, охлажденных до сверхнизких температур, и движущихся в созданном оптическим полем периодическом потенциале (C. Robens et al. (2015)). Было показано нарушение неравенства Леггетта-Гарга с точностью до шести сигм, означающее отсутствие у отдельных атомов определенной (классической) траектории движения. Однако, для более массивных объектов проверка пока не производиласть из-за сложности постановки подобных экспериментов, связанной с устранением всевозможных лазеек. В 2003 г. Леггетт предложил критерий проверки нелокальных, но, в некоторых предположениях, реалистических теорий, экспериментальная проверка которого подтвердила предсказания КМ, тем самым отвергнув широкий класс нелокальных реалистических теорий (Gröblacher S. et al.(2007), Romero J. et al.(2010)). Отметим, что существуют работы с критикой этих неравенств, и предложением альтернативных вариантов, как пример, эта публикация.

Не смотря на то, что присутствие человека, как наблюдателя, делает предложенные эксперименты уникальными и интересными, подчеркнем, что в них не предполагается проверка влияния сознания наблюдателя на результаты этих экспериментов

Если не заметили в комнате присутствует слон: человеческое сознание. Может ли сознательное восприятие в конечном итоге вызвать коллапс квантового состояния, заставив фотон появиться на той или другой стороне?

Макроскопический уровень реальности (классический мир), как мы его воспринимаем является не только результатом возможного проявления загадочного процесса макрореализации, или просто декогеренции, но и конечным результатом функционирования когнитивных механизмов мозга. Пока нет общепринятого понимания того, чем этот результат является. Некоторые считают его эволюционно выработанной, полезной для выживания иллюзией, которую мозг создает. Другие относительно автономной информационной сущностью — субъективной реальностью (на философско-методологическом уровне нравится изложение этого взляда Д. И. Дубровским, см. п.3 статьи), как некоторой симуляции реальности, носящей активный, предсказательный характер. Имеется немало других объяснений. Но, в любом случае, как мозг делает это? Как субъективная реальность соотносится с самой реальностью, насколько соответствует ей, являясь результатом функционирования сложноорганизованной части этой реальности? Исследования, подобные планируемым в статье, с учетом современных методов исследований и представлений о функционировании когнитивных процессов на сенсорном, перцептивном и категориальном уровнях, могут помочь продвинуться в понимании этого вопроса. Это интересная тема для отдельной публикации. И хотелось бы начать именно на примере проявления субъективных состояний, включая сознание, в физическом описании, вклада физиков в поиске их понимания и предложенных ими решениях.