量子技术探索视觉的终极极限

一项测试人类视觉极限的实验提供了迄今为止最有力的证据,证明我们的眼睛可以感觉到像三个光子一样微弱的闪光。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家丽贝卡·霍姆斯 (Rebecca Holmes) 表示,这项研究涉及将光子发射到坐在黑暗房间里的人的眼睛,最终可以证明人们是否可以感知单个光子。 她于 6 月 10 日在俄亥俄州哥伦布市举行的美国物理学会会议上介绍了她的团队的研究结果。 Holmes 还希望测试人眼是否可以记录量子效应,例如光子同时出现在两个地方。

自 1940 年代以来,研究人员一直在尝试确定人类感知所需的最少光子数量。 众所周知,视网膜中的杆状细胞——那些专门在黑暗条件下看到灰色阴影的细胞——对光非常敏感。 对取自青蛙的单杆细胞进行的实验表明,这些杆会响应单光子而发射。 但由于视网膜处理信息以减少误报带来的噪音,一个细胞的放电不一定会转化为发送到大脑的信号,更不用说让一个人意识到闪光了。 超过 90%——也许多达 97%——进入眼睛的光子甚至从未到达视杆细胞。 它们会被眼睛的其他部分(例如角膜)吸收或反射,因此不会被检测到。

Holmes 说,实验已经将人类视觉的极限限制在 2 到 7 个光子之间。 但这些结论是暂时的,因为研究人员永远不知道每次闪光包含多少光子:他们只能估计一个范围。

然而,福尔摩斯利用了量子光学实验室中使用的技术,该技术可以准确计算一束激光中有多少光子。 该方法以前从未用于测试人类视力。

福尔摩斯和她的合作者向坐在黑暗房间里盯着十字准线目标的志愿者的眼睛发射含有不同数量光子的闪光。 他们要求参与者说明闪光似乎来自左侧还是右侧——即使他们认为自己什么也没看到。 “我自己已经做过很多次了,”福尔摩斯说,“如果你坐在黑暗中,你可以在一个小时后出来说,’我不确定我是否看到了什么’。”

眼对眼

为了测试人们是否可以检测到少至三个光子,研究人员将恰好 30 个光子的闪光发送到眼睛中,预计平均最多 10% 的光子能够通过视网膜。 Holmes 说,志愿者猜测闪光位置的频率比偶然预期的要高,这在统计上证明了他们至少看到了一些三光子闪光。

瑞士日内瓦大学的量子光学研究员尼古拉斯·吉辛 (Nicolas Gisin) 看到了尚未经过同行评审的初步数据,他说,这些结果是迄今为止人类可以探测到三个光子的最好证据。 Holmes 补充说,她的团队还没有收集到足够的数据来说明人类是否可以看到单个光子。

为了测试通常只能在微观尺度上看到的量子效应,该团队还想尝试一次向眼睛发送一个光子,而不是 30 个,这可能会大大降低检测到的几率。 Holmes 说,为了提高这些几率,可能有助于根据志愿者的脑电波对光子进行计时,众所周知,这些脑电波与注意力增加的短暂窗口相关,每秒重复约 10 次。 Holmes 说她正在练习使用脑电图 (EEG) 机器。

Gisin 率先进行了实验,以了解人眼如何对“量子怪异”效应做出反应。 他说,虽然光子同时出现在多个地方等效应是众所周知的,但让人类参与实验“让我们更接近量子现象”。

Anthony Leggett 是一位获得诺贝尔奖的理论物理学家,他也在厄巴纳-香槟分校,启发了福尔摩斯的工作,他说量子怪异应该消失在原子尺度和人体尺度之间的某个地方。 “我们不知道它会在哪个阶段分解 – 或者如何分解。” Holmes 的研究可能会验证量子物理学的标准解释,他说,假设处于两种状态“叠加”的光子本质上将当它与探测器接触时选择一个选项——无论是人工光子计数器还是棒状细胞。

但原则上,意大利的里雅斯特大学的物理学家 Angelo Bassi 说,光子的每个角色都可以击中一个杆状细胞,这种叠加可以持​​续到大脑。 如果是这样,甚至可能存在“两种不同感知的叠加,即使只是一瞬间”。

本文经许可转载,于2015年6月11日首次发表。

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