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

Автор оригинала: Rebecca M. Holmes, Michelle M. Victora, Ranxiao Frances Wang, and Paul G. Kwiat
  • Перевод
Статья посвящена обзору достижений и планируемым исследованиям квантовых возможностей зрительной системы человек в продолжении темы затронутой в этой публикации. Исследования носят существенно междисциплинарный характер на стыке квантовой физики и когнитивной науки. Переведена с несущественными сокращениями, и снабжена автором перевода дополнительными материалами и комментариями по теме, имеющими самостоятельное значение.

КДПВ с просторов сети.

1. Введение


Специалисты по квантовой оптике уже давно интересуются зрительной системой человека, которая, вероятно, чувствительна к одиночным фотонам. Ранние эксперименты были ограничены некогерентностью излучения классических источников света, но эпоха настоящих однофотонных источников и настраиваемой статистики фотонов открыла новые области исследований, включая измерение квантовой эффективности палочек — сумеричных фоторецепторов глаз (около 33%) [1], и измерение статистики фотонов от различных источников света, в которых палочки используются в качестве сенсоров [2]. Недавний эксперимент предоставил лучшее доказательство того, что зрительная система может обнаружить один фотон [3], а в другом исследовали временную суммацию в зрительной системе для нескольких фотонов [4]. Эти достижения в исследовании однофотонного зрения предоставляют уникальную возможность изучения квантовых эффектов с помощью зрительной системы, включая суперпозицию и запутывание. В этой статье делается краткий обзор предыдущих исследований однофотонного зрения и текущих возможностей, а также предлагаются два эксперимента, для изучения восприятия состояния суперпозиции, и использования человека-наблюдателя в качестве детектора в тесте Белла.

2. Классические эксперименты


Вскоре после того, как в начале двадцатого века возникло представление о свете, как о фотонах, стало понятно, что статистика отдельных фотонов, вероятно, будет важна для определения нижнего порога зрения человека [5]. Один из самых ранних и самых известных экспериментов по нижнему порогу был проведен Хехтом, Шлаером и Пиренн в 1942 году [6]. В их исследованиях испытуемые наблюдали очень тусклые вспышки света со средним числом фотонов от 50 до 400. После каждой вспышки у испытуемых (каждого из трех соавторов исследования) спрашивали — была она видна или нет? Среднее число фотонов во вспышках варьировалось, и определялось, как часто испытуемые обнаружили вспышку на каждом из уровней. В предположении, что число фотонов зафиксированных зрительной системой в каждом испытании является случайной величиной подчиняющейся распределению Пуассону, и что для восприятия требовалось некоторое пороговое число фотонов n, Hecht et al. подсчитали, что порог для зрения был между 5 и 7 фотонами, в зависимости от испытуемого (рис. 1).

Рис. 1. Данные Hecht et al. [6]. Подгонка модели Пуассона к измерениям зависимости между средним числом фотонов во вспышках и частотой, с которой испытуемый сообщал, что она была видна, дает оценку визуального порога n.

Этот эксперимент одним из первых предоставил доказательств того, что палочки могут реагировать на одиночные фотоны: вспышки света падали на область содержащую около 500 палочек, так что если фиксировалось всего 5-7 фотонов, любая отдельная палочка не могла обнаружить более одного. Однако в этой постановке эксперимента есть несколько проблем, которые могли привести к переоценке этих значений. Самая главная — просьба просто сообщать была замечена вспышка или нет, что могло привести к завышению порога в сравнении с истинным, из-за возможных ложноположительных ответов испытуемых.

Более того, в более поздних экспериментах, в которых испытуемым было дано указание оценивать слабые вспышки света по шкале от 0 до 6, нашли возможный нижний порог для зрения всего в один фотон (для некоторых испытуемых) [7]. Измерения in vitro отдельных палочковых клеток также показали, что клетки производят дискретные электрические сигналы в ответ на тусклые вспышки света с минимальным уровнем сигнала, которые кажутся соответствующими одиночным фотонам [8] (см. рис. 2).

Однако все эти эксперименты были ограничены некогерентностью излучения классических источников света, которые не могут производить одиночные фотоны. Развитие однофотонных источников создало новые возможности в исследованиях зрения, которые обсуждаются в разделе 3.


Рис. 2. (а) Измерение фототока одиночной палочки. Клетка удерживается в пипетке благодаря присасывающему эффекту, так что светоиндуцированный ток протекает через электрод, расположенный в окружающей электролитической ванне. (б) Фототоки палочки обезьяны в ответ на кратковременные вспышки в момент t = 0. Наименьший пик соответствует вспышке со средним числом поглощенных фотонов ~1, наибольший до ~500. (в) Импульсы фототока, генерируемые серией слабых вспышек. Клетка производит токи различной величины при поглощении 1 или 2 фотонов [9].

3. Однофотонная эра


Однофотонные источники были разработаны для квантовой оптики и исследований квантовой информации, и включают в себя источники на одиночных атомах [10], азото-замещённой вакансии в алмазе [11, 12], квантовых точках [13] и спонтанном параметрическом рассеянии с понижением частоты (spontaneous parametric down-conversion — SPDC) [14]. Источники SPDC во многом идеальны для однофотонного исследования зрения, так как могут быть очень яркими, могут излучать свет в широком диапазоне длин волн (палочки наиболее чувствительны в районе 500 нм) и имеют высокую эффективность, ограниченную в основном оптическими потерями. При некоторой модификации они также могут легко производить поляризационно запутанные пары фотонов, и других степеней свободы [15].

На рис. 3 показан пример SPDC источника пар, разработанный в нашей лаборатории и оптимизированный для исследований зрения человека [16,17]. Геральдирующая эффективность этого источника (вероятность того, что фотон отправлен наблюдателю в случае обнаружения фотона вестника) составила 38,5%. Он генерирует одиночные фотоны с длиной волны 505 нм вблизи пика спектральной чувствительности палочек.

Рис. 3. Схема однофотонного источника. Мощность накачки лазера контролируется переменным аттенюатором (VA). Он генерирует пары фотонов с длиной волны 562 и 505 нм внутри нелинейного кристалла (BBO); 562-нм фотоны вестники отправляются на однофотонный лавинный фотодиод (SPAD) и подсчитываются (при совпадении с сигналом фотодиода запускаемым накачкой лазера, для устранения фоновых отсчетов) с помощью FPGA. 505-нм фотоны проходят через 25-метровое волокно оптической задержки, через поляризационный светоделитель (PBS) с контроллером поляризации волокна (FPC); детектирование фотона вестника запускает ячейку Поккельса (PC), которая позволяет им отражаться вторым PBS. Когда заданное число вестников достигается накачка лазера выключается. 505-нм сигнальные фотоны также проходят через контролируемую компьютером полуволновую пластину (HWP) и третий PBS, который позволяет направлять их на один из двух оптоволоконных выходов подключенных к станции наблюдения (рис. 4). Светодиод 505 нм может быть подключен к тракту сигнальных фотонов, как вспомогательное средство для наблюдателя.

Для исследования зрения человека также требуется станция наблюдения, с помощью которой фотоны доставляются к глазам испытуемого (рис. 4). Наша станция позволяет доставлять фотоны в одну или две пространственно разделенные точки сетчатки, под углом примерно ±16 градусов слева и справа от фовеа — центральной ямки. Эта возможность позволяет использовать улучшенный дизайн экспериментов в сравнении с Hecht et al.: вместо того, чтобы спрашивать испытуемых видели ли они фотон или нет, можно случайным образом (используя PC и PBS, как показано на рис. 3) отправлять фотон в левую или правую точку и спрашивать, где его видели. Это устраняет искусственный пороговый эффект, который может возникнуть, когда испытуемого просят оценить наличие или отсутствие стимула. Если испытуемые выбирают «слева» или «справа» с точностью значительно превышающей 50%, то можно сделать вывод, что они увидели стимул. Недостатком этого подхода является то, что из-за относительно высоких оптических потерь в глазах (по оценкам ~90-97%), для демонстрации эффекта обычно требуется большое количество длительных серий испытаний, так как в большинстве из них испытуемые фактически не обнаруживают фотон.

Мы использовали этот источник для изучения того, как зрительная система производит суммацию фотонов внутри короткого временного окна [4], другие использовали аналогичный источник SPDC и другую постановку эксперимента (с заменой левого и правого на более ранние и более поздние времена доставки фотонов), чтобы показать, что испытуемые могут достичь точности свыше 50% для одиночных фотонов. Последующее исследование с гораздо большим числом экспериментальных испытаний и улучшенной постановкой эксперимента (включая равное количество контрольных испытаний, в которых фотоны отсутствуют) будет иметь важное значение для подтверждения этого результата. Однако мы считаем, что люди действительно способны фиксировать одиночные фотоны. Захватывающая возможность заключается в том, что подобный однофотонный источник теперь может быть использован для исследования с помощью зрительной системы квантовых эффектов. Два предложенных эксперимента представлены в Разделе 4.


Рисунок 4. Поле зрения испытуемого и схематический вид сверху наблюдательной станции. Фиксационный крест (показан в поле зрения не в масштабе) состоит из слабого 700-нм светодиода за маской перекрестия (палочки не чувствительны к длинам волн дальнего красного спектра). Левый и правый лучи совмещаются с правым глазом испытуемого, когда он фиксируется на опоре для подбородка.

4. Предлагаемые эксперименты: суперпозиция и запутывание


Если человек может обнаружить одиночные фотоны, то перед нами в перспективе открывается широкий спектр захватывающих работ и экспериментов. Изучая, как испытуемые непосредственно взаимодействуют с квантовыми феноменами и производят их измерения, мы можем протестировать предсказания стандартной квантовой механики и даже предоставить человеку-наблюдателю непосредственную роль в тесте локального реализма.

4.1 Восприятие суперпозиции состояний



Рис. 5. (a) Переключатель влево/вправо, используемый в однофотонном тесте зрения. Полуволновая пластина (HWP) случайным образом устанавливается в положение либо 0°, либо 45°, что направляет фотон либо в левое, либо в правое волокно. Фотон находится в классической смеси левой и правой позиции. (b) Модификация для создания состояния суперпозиции. Параметра HWP устанавливается равным 22.5°, что ведет к повороту поляризации с вертикальной (V) на диагональную (D), эквивалентную когерентной суперпозиции Н и V. Поляризационный светоделитель (PBS) связывает поляризацию с левым и правым путями, создавая суперпозицию левого и правого. Обратите внимание, что в этом случае, мы (исследователи) не знаем, на какой стороне будет обнаружен фотон.

Один из относительно простых тестов, который мы можем выполнить, состоит в том, чтобы определить воспринимают ли люди какие-либо различия между фотоном в состоянии суперпозиции и классическим смешанным состоянием. Эксперимент с суперпозицией в зрительной системе представлял большой интерес в течение многих лет, и было предложено несколько подходов [18,19]. Для выполнения этого эксперимента можно использовать установку приведенную на рис. 3, но в дополнение к испытаниям, в которых один фотон представлен, либо на левой, или на правой стороне сетчатки, можно также произвести испытания с фотоном случайно представленным в суперпозиции левой и правой стороны. Это легко достигается вращением полуволновой пластины показанной на рис. 5 в положение 22,5°, для получения состояния

$\frac{1}{\sqrt{2}}(|H,right>+|V, left>)$

Как и в однофотонном тесте зрения испытуемого просят сообщить, с какой стороны была видна вспышка в каждом из испытаний. Согласно стандартной квантовой механике не должно быть никакой разницы в восприятии между одинаковой суперпозицией и одинаковой классической смесью. Любая статистически значимая разница в соотношении левого и правого откликов между этими двумя условиями (после тщательного учета любого отклонения в аппаратуре) будет свидетельствовать о неожиданном эффекте, и может иметь последствия для альтернативных интерпретаций квантовой механики (например, макрореализма [20,21]).

4.2 Тест Белла с человеком-наблюдателем



Рис. 6. Упрощенная схема теста Белла с заменой одного детектора человеком-наблюдателем. Когда один из детекторов на стороне A индицирует, что фотон был измерен с установкой $b' = 67,5°$, аудиосигнал предупреждает испытуемого, чтобы он наблюдал фотон на своей стороне. Поляризационно-независимый переключатель предотвращает появление незаявленных фотонов: если ячейка Поккельса (PC) не активирована, то полуволновая пластина (HWP) поворачивает поляризацию входящего фотона и возвращает его к источнику. Если PC активирована обнаружением вестника, он отменяет действие HWP и фотон посылается испытуемому (без изменения его первоначальной поляризации и запутанности). Жидкостные кристаллы (LC) используются для установки измерительных баз на каждой из сторон.

Другой захватывающий эксперимент, который мы можно провести — это проверка локального реализма с человеком-наблюдателем в качестве детектора. Первым шагом может быть замена одного детектора человеком-наблюдателем, а другого измерениями с помощью нашего высокоэффективного счетчика фотонов (см. рис. 6). Одновременно накачивая два ортогональных нелинейных кристалла можно получить поляризационно запутанные пары фотонов [15,22,23]. Затем можно использовать хорошо известное неравенство CH (Clauser-Horne)[24], которое связывает совместные $(c)$ и одиночные $(s)$ вероятности для настроек $a, a', b, b'$ на поляризационных анализаторах A и B:

$c_{12}(a,b)+c_{12}(a',b)+c_{12}(a',b')-c_{12}(a,b') ≤ s_1(a')+s_2(b)$

Можно показать, что любая теория поддерживающая локальный реализм должна подчиняться этому неравенству. В начальном эксперименте мы используем однофотонные детекторы для измерения всех членов, кроме $c12(a',b')$. При использовании оптимального набора настроек для анализа $inline$(a = 0°, a' = 45°, b = 22,5°, b' = 67,5°)$inline$, неравенство упрощается до

$3cos^2 (22.5°)/2 − p_{obs} ≤ 1$

$p_{obs} ≥ 0.28$

где $p_{obs}$ — вероятность того, что испытуемый обнаружит фотон на своей стороне (A) с настройкой измерения $a' (45°)$, когда на стороне (B) фотон будет обнаружен с настройкой измерения $b' (67,5°)$. Таким образом, если $p_{obs}$ превышает значение 0,28 со статистическим уровнем значимости, неравенство CH нарушается.

Конструкция с принудительным выбором, аналогичная тесту на однофотонное зрение, может использоваться для контроля малой вероятности того, что испытуемый обнаружит фотон в любом из испытаний. Если измерение на стороне B указывает желаемый результат для члена $c_{12}(a',b')$, запутанный фотон продолжает переключаться влево/вправо (как показано на рис. 5a) и случайным образом направляется на одну из сторон поля зрения испытуемого. Кроме того, не запутанный фотон подается на другую сторону поля зрения с вероятностью 28%. Испытуемый делает независимые суждения о том, присутствовал ли фотон с каждой стороны. Если $p_{obs} = 0,28$, испытуемый будет видеть сторону с запутанным фотоном так же часто, как он видит контрольную (не запутанную) сторону. Если они видят запутанную сторону значительно чаще, чем контрольную, результат измерения нарушает неравенство CH. Обратим внимание, что в таком тесте вряд ли когда-либо будут учитываться лазейки «тайминга» и «детектирования». Однако это все равно будет уникальным и интересным экспериментальным исследованием.

5. Заключение


Теперь, когда эксперименты с однофотонными источниками показали, что люди, вероятно, могут фиксировать одиночные фотоны, можно предложить широкий спектр новых интересных экспериментов, как в физике, так и в психологии. В этой статье был дан обзор предыдущих исследований по нижнему пределу человеческого зрения и представлены два возможных эксперимента по проверке квантовой механики с использованием зрительной системы, включая состояний суперпозиции и запутанности. Основной проблемой для этих и других однофотонным экспериментов со зрением будет низкая вероятность того, что фотон будет передан фоторецепторам и обнаружен в отдельных испытаниях (возможно 5-10%, при условии абсолютно эффективного источника), и соответственно требования очень больших серий испытаний.

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

Существует также ряд интересных исследований в области психофизики, которые могут использовать наш однофотонный источник. Можно исследовать другие аспекты временного суммирования на самых низких уровнях освещенности, например, воспринимается ли слабый свет, как квантованный. Используя деформируемые зеркала и пространственные модуляторы света, можно изучить пространственное суммирование, варьируя размер малофотонного стимула на сетчатке. Более совершенные источники, которые могут генерировать состояния с более высоким числом фотонов [25], также могут быть использованы для измерения функции визуальной чувствительности для точного заданного числа фотонов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Phan, N. M., Cheng, M. F., Bessarab, D. A., and Krivitsky, L. A., “Interaction of Fixed Number of Photons with Retinal Rod Cells,” Physical Review Letters 112, 213601 (may 2014). [2] Sim, N., Cheng, M. F., Bessarab, D. A., Jones, C. M., and Krivitsky, L. A., “Measurement of Photon Statistics with Live Photoreceptor Cells,” Physical Review Letters 109, 113601 (sep 2012).
[3] Tinsley, J. N., Molodtsov, M. I., Prevedel, R., Wartmann, D., Espigul´ e-Pons, J., Lauwers, M., and Vaziri, A., “Direct detection of a single photon by humans,” Nature Communications 7, 12172 (jul 2016).
[4] Holmes, R., Victora, M., Wang, R. F., and Kwiat, P. G., “Measuring temporal summation in visual detection with a single-photon source,” Vision Research 140, 33–43 (2017).
[5] Bouman, M. A., “History and Present Status of Quantum Theory in Vision,” in [Sensory Communication], 376–401, The MIT Press (sep 2012).
[6] Hecht, S., “ENERGY, QUANTA, AND VISION,” The Journal of General Physiology 25, 819–840 (jul 1942).
[7] Sakitt, B., “Counting every quantum,” The Journal of Physiology 223(1), 131–150 (1972).
[8] Rieke, F. and Baylor, D. A., “Single-photon detection by rod cells of the retina,” Reviews of Modern Physics 70(3), 1027–1036 (1998).
[9] Baylor, D. A., Nunn, B. J., and Schnapf, J. L., “The photocurrent, noise and spectral sensitivity of rods of the monkey Macaca fascicularis,” The Journal of Physiology 357, 575–607 (dec 1984).
[10] McKeever, J., Boca, A., Boozer, A. D., Miller, R., Buck, J. R., Kuzmich, A., and Kimble, H. J., “Deter-ministic Generation of Single Photons from One Atom Trapped in a Cavity,” Science 303(March), 1992 (2004).
[11] Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P., and Weinfurter, H., “Stable solid-state source of single photons,” Physical Review Letters 85(2), 290–293 (2000).
[12] Beveratos, A., Brouri, R., Gacoin, T., Poizat, J.-P., and Grangier, P., “Nonclassical radiation from diamond nanocrystals,” Physical Review A 64, 061802 (nov 2001).
[13] Michler, P., Kiraz, A., Becher, C., Schoenfeld, W. V., Petroff, P. M., Zhang, L., Hu, E., and Imamoglu, A., “A quantum dot single-photon turnstile device,” Science 290, 2282–5 (dec 2000).
[14] Hong, C. K. and Mandel, L., “Experimental realization of a localized one-photon state,” Physical Review Letters 56(1), 58–60 (1986).
[15] Kwiat, P. G., Waks, E., White, A. G., Appelbaum, I., and Eberhard, P. H., “Ultra-bright source of polarization-entangled photons,” Physical Review A 60(2), R773® (1999).
[16] Holmes, R., Christensen, B. G., Street, W., Wang, R. F., and Kwiat, P. G., “Determining the Lower Limit of Human Vision Using a Single Photon Source,” in [Conference on Lasers and Electro-Optics 2012], QTu1E.8, Optical Society of America (2012).
[17] Holmes, R., Christensen, B. G., Wang, R. F., and Kwiat, P. G., “Testing the Limits of Human Vision with Single Photons,” in [Frontiers in Optics 2015], FTu5B.5, Optical Society of America (2015).
[18] Ghirardi, G., “Quantum superpositions and definite perceptions: envisaging new feasible experimental tests,” Physics Letters A 262, 1–14 (oct 1999).
[19] Thaheld, F. H., “Can we determine if the linear nature of quantum mechanics is violated by the perceptual process?,” BioSystems 71, 305–309 (oct 2003).
[20] Ghirardi, G. C., Rimini, A., and Weber, T., “Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems,”
Physical Review D 34, 470–491 (jul 1986).
[21] Leggett, A. J., “Testing the limits of quantum mechanics: motivation, state of play, prospects,” Journal of Physics: Condensed Matter 14(15), R415–R451 (2002).
[22] Christensen, B. G., McCusker, K. T., Altepeter, J. B., Calkins, B., Gerrits, T., Lita, A. E., Miller, A., Shalm, L. K., Zhang, Y., Nam, S. W., Brunner, N., Lim, C. C. W., Gisin, N., and Kwiat, P. G., “Detection-Loophole-Free Test of Quantum Nonlocality, and Applications,” Physical Review Letters 111, 130406 (sep 2013).
[23] Akselrod, G. M., Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., and Kwiat, P. G., “Phase-compensated ultra-bright source of entangled photons: erratum,” Optics Express 13, 5260–5261 (apr 2005).
[24] Clauser, J. F. and Horne, M. A., “Experimental consequences of objective local theories,” Physical Review D 10, 526–535 (jul 1974).
[25] McCusker, K. T. and Kwiat, P. G., “Efficient Optical Quantum State Engineering,” Physical Review Letters 103, 163602 (oct 2009).

Дополнения автора перевода


В некоторых интернет-изданиях с научно-популярной тематикой появились публикации на тему статьи и проводимых исследований (1, 2). В них приводятся дополнительные соображения связанные с планируемыми исследованиями.

Цитата с переводом из 1
Физики описывают квантовые состояния фотона с помощью математической абстракции — волновой функции. Прежде чем фотон, находящийся в состоянии суперпозиции, попадет в глаз, его волновая функция распространяется, и у фотона есть равная вероятность того, что его увидят слева или справа. Взаимодействие фотона со зрительной системой действует как измерение, которое, как считается, «коллапсирует» волновую функцию, и фотон случайно оказывается на одной или другой стороне, как подброшенная монета выпадает «орлом» или «решкой». Видят ли люди разницу в количестве фотонов слева и справа при восприятии наложенных фотонов по сравнению с фотонами в классических состояниях? «Если вы доверяете квантовой механике, то не должно быть никакой разницы», — говорит Квят. Но если планируемый эксперимент обнаружит неопровержимое, статистически значимое различие, это будет означать, что в квантовой физике что-то не так. «Это было бы потрясающим результатом», — добавляет он.

Такой результат будет указывать на возможное решения главной проблемы квантовой механики, так называемой проблемы измерения. В теории нет ничего, что определяло бы, как измерения могут коллапсировать ВФ, если она действительно коллапсирует. Насколько большим должен быть измерительный прибор? В случае глаза достаточно отдельной клетки — палочки? Или нужна вся сетчатка? Как насчет роговицы? Может быть сам наблюдатель должен быть в замешан?

Некоторые альтернативные теории решают эту потенциальную проблему путем коллапса ВФ независимо от наблюдателей и измерительных приборов. Рассмотрим, например, модель коллапса «GRW» (названную в честь теоретиков Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебера). Модель GRW и ее многочисленные варианты определяют, что ВФ коллапсируют спонтанно; чем массивнее объект в суперпозиции, тем быстрее она коллапсирует. Одним из следствий этого будет то, что отдельные частицы могут оставаться в суперпозиции бесконечно долго, а макроскопические объекты — нет. Печально известный кот Шредингера в GRW никогда не может быть в суперпозиции живого и мертвого. Он жив или мертв, и мы обнаруживаем его состояние только тогда, когда смотрим. Такие теории называются «независимыми от наблюдателя» моделями реальности.

Если теория коллапса, такая как GRW, является правильным описанием природы, то это поставит под сомнение вековую идею, в соответствии с которой утверждалось, что наблюдение и измерение имеют центральное значение для возникновения реальности. Важно отметить, что GRW, для фотонов попадающих на глаз в состояниии суперпозиции, предсказывает очень незначительное их количество для левой и правой сторон глаза в сравнении со стандартной КМ. Это связано с тем, что системы разного размера на разных этапах обработки фотона — такие как два светочувствительных белка в двух клетках против двух клеток и связанных нервов в сетчатке — будут демонстрировать различные скорости спонтанного коллапса после взаимодействия с фотоном. Хотя и Квят, и Холмс подчеркивают, что маловероятно, что они увидят разницу в своих экспериментах, они признают, что любое наблюдаемое отклонение будет намекать на теории подобные GRW (подробнее о возможном влиянии квантовой суперпозиции на перецепцию в рамках GRW можно узнать из этой публикации (GianCarlo Ghirardi (1998)) — прим. переводчика).

Майкл Холл, физик-теоретик из Австралийского национального университета, который не участвовал в исследовании, согласен с тем, что GRW предсказывает очень небольшое отклонение в количестве фотонов, и дополняет, что такое отклонение будут слишком малым, чтобы его можно было обнаружить в предлагаемом эксперименте. Тем не менее, он считает, что любая аберрация в количестве фотонов заслуживает внимания. «Это было бы довольно серьезно. Я считаю это маловероятным, но возможным», — говорит он.

Квят также интересуется субъективным восприятием квантовых состояний по сравнению с классическими состояниями. «Есть ли разница в восприятии со стороны человека, когда он непосредственно наблюдает квантовое событие?» — задается вопросом Паул. «Ответ — вероятно нет, но мы не знаем точно. Пока у нас нет полной физической модели вплоть до квантово-механического уровня того, что происходит в зрительной системе человека, или не будет проведен эксперимент».

Роберт Преведел, член команды Вазири в 2016 году, которая сейчас работает в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Германии, больше заинтересован в том, чтобы выяснить, где именно происходит коллапс в цепочке событий. Происходит ли это в начале, когда фотон попадает на палочку? Или посередине, с генерацией и передачей нейронных сигналов? Или это происходит в конце, когда сигналы воспринимается сознанием? Он предлагает запускать фотоны в состоянии суперпозиции на извлеченную из глаза сетчатку (подопытных животных) и делать запись на разных уровнях визуальной обработки (на палочках или других типах фоторецепторов составляющих сетчатку), чтобы увидеть, как долго длится суперпозиция.

Преведел считает, что поглощение палочкой должно разрушить суперпозицию фотона. Но «если мы сможем увидеть квантовую суперпозицию на любом из последующих уровней внутри различных клеточных слоев сетчатки или даже в любых нижележащих нейронных цепях, это будет действительно прорывом», — говорит он.

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? Преведел сомневается, что сознание имеет какое-либо отношение к измерению и коллапсу.

«Сознание возникает в мозге, как совокупный эффект миллионов, если не миллиардов клеток. Если существует роль сознания в обнаружении квантовой суперпозиции, то на уровне всего мозга будет задействован действительно макроскопический объект, то есть огромный ансамбль атомов и электронов, составляющих биологические клетки», — говорит Преведел — «Из того, что мы знаем, этот макроскопический объект не может поддерживать квантовую суперпозицию».

Статья 2 почти полностью переведена на одном из ресурсов, и приоткрывает имя идейного вдохновителя этих исследований.
Цитата из нее
Зачем нужны такие эксперименты? Помимо фактора исключения, есть и серьезные научные причины. Причина того, почему и как состояние суперпозиции схлопывается с генерацией определенного результата, это все еще одна из величайших загадок физики. Проверка квантовой механики с помощью нового, уникального, готового к измерениям аппарата — зрительной системы человека — могла бы исключить определенные теории. В частности, есть ряд теорий о макрореализме, из которых вытекает, что есть пока не открытый физический процесс, который всегда приводит к тому, что суперпозиция для крупных объектов (вроде глазных яблок и котов) схлопывается очень быстро. Это означало бы, что суперпозиция крупных объектов практически невозможна — а не маловероятна. Нобелевский лауреат, физик Энтони Леггетт из Университета Иллинойса активно разрабатывает тесты подобных теорий. Если бы эксперименты с суперпозицией при участии зрительной системы человека показали четкое отклонение от стандартной квантовой механики, это доказало бы, что макрореализм вполне существенен.

Тесты Белла также все еще являются активной областью исследований. В 2015 году все основные лазейки в тесте Белла, которые могли бы позволить локальному реализму сохраниться, хотя и маловероятно, были окончательно закрыты. Теперь исследователи предлагают и проводят множество более экзотических тестов Белла, пытаясь раздвинуть границы запутанности и нелокальности. В 2017 году исследователи во главе с Дэвидом Кайзером из МТИ и Антоном Цейлингером из Венского университета провели «космический тест Белла»: они использовали свет от далеких звезд для запуска настроек измерения, пытаясь доказать, что предопределенные корреляции между запутанными частицами (которые могут открыть лазейку для локального реализма) могли бы простираться на сотни лет в прошлое. Международное сотрудничество под названием BIG Bell Test использовало случайный выбор из более чем 100 000 человек-участников для определения параметров измерений для теста Белла в 2016 году. Тест Белла с человеком-наблюдателем был бы интересным дополнением к этим экспериментам.


Комментарии автора перевода


Комментарии могут содержать, в явном или неявном виде, мнение автора по излагаемым темам.

  1. Обзор других исследований в квантовой оптике с использованием глаза в качестве детектора квантовых эффектов.
  2. Критерий макрореализма — объяснение и тестирование.
  3. Роль субъективных состояний в физическом описании.

Комментарии 3

    +1

    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)).
    Но сообщений о доведенных до результатов экспериментов, в которых испытуемые, с выпученными глазами, вопили, что видят квантовую радугу не было:)

    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)):
    Схема компрессии

    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)
      0

      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.
        +1

        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.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

        Самое читаемое