Квантовое зрение: может ли человек увидеть отдельный фотон?

«Я провела много времени в темноте в аспирантуре. Не только потому, что я изучала область квантовой оптики — где мы обычно имеем дело с одной частицей света, или фотоном, одновременно. Но и потому, что в моих исследованиях инструментом измерений были глаза. Я изучала, как люди воспринимают мельчайшие количества света, и сама становилась первой испытуемой всякий раз», — рассказывает Ребекка Холмс, физик Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Ее работа, о которой вы сейчас прочитаете, была опубликована Physics World and Applied Optics, среди прочих мест. Далее — от первого лица.

Увидеть фотон

Я проводила эти эксперименты в комнате размером с туалет на восьмом этаже отделения психологии Университета штата Иллинойс, работая вместе с моим выпускником-консультантом Павлом Квятом и психологом Рансяо Фрэнсис Вонгом. Пространство было оборудовано специальными плотными шторами и закрытой дверью для достижения полной темноты. В течение шести лет я проводила бесчисленное количество часов в этой комнате, сидя в неудобном кресле, положа голову на подбородок для упора, сосредоточившись на тусклых, крошечных вспышках и ожидая крошечных вспышек от самого точного источника света, который когда-либо создавался для исследования человеческого зрения. Моя цель заключалась в том, чтобы подсчитать, как я воспринимаю вспышки света от нескольких сотен фотонов до всего лишь одного.

Будучи индивидуальными частицами света, фотоны принадлежат миру квантовой механики — месту, которое может показаться совершенно непохожим на известную нам Вселенную. Профессоры физики говорят студентам абсолютно серьезно, что электрон может быть в двух местах одновременно (квантовая суперпозиция) или что измерение одного фотона может мгновенно повлиять на другой фотон, который находится далеко и не имеет физического соединения (квантовая запутанность). Возможно, мы принимаем эти невероятные идеи так небрежно, потому что они никоим образом не вписываются в наше повседневное существование. Электрон может быть в двух местах одновременно, а футбольный мяч — нет.

Но фотоны — это квантовые частицы, которые люди могут воспринимать непосредственно. Эксперименты с отдельными фотонами могут привести к тому, что квантовый мир станет видимым, и нам не придется ждать — некоторые эксперименты уже можно провести с существующими технологиями. Глаз — это уникальное биологическое устройство измерения, и его использование открывает перед нами удивительную область исследований, в которых мы даже не знаем, что могли бы найти. Исследование того, что мы видим, когда фотоны находятся в состоянии суперпозиции, может изменить наше понимание границы между квантовым и классическим мирами, в то время как человек-наблюдатель даже сможет поучаствовать в испытании странных последствий квантовой запутанности.

Зрительная система человека работает на удивление хорошо как квантовый детектор. Это сеть нервов и органов, от глазных яблок к мозгу, которая преобразует свет в изображения, которые мы воспринимаем. Люди и другие родственники среди позвоночных имеют два основных типа живых детекторов света: палочки и колбочки. Эти фоторецепторные клетки находятся в сетчатке, светочувствительном слое в задней части глазного яблока. Колбочки дают цветное зрение, но им необходим яркий свет для работы. Палочки могут видеть только в черно-белом, но настраиваются на ночное зрение и становятся наиболее чувствительными после получаса, проведенного в темноте.

Палочки настолько чувствительны, что их можно активировать одним фотоном. Один фотон видимого света переносит всего несколько электрон-вольт энергии. (Даже у летящего комара десятки миллиардов электрон-вольт кинетической энергии). Каскадная цепь реакций и обратная петля в палочке усиливает этот крошечный сигнал до измеримого электрического отклика на языке нейронов.

Мы знаем, что палочки способны улавливать даже один фотон, потому что электрический отклик палочки до одного фотона измерялся в лаборатории. Что оставалось неизвестным до недавних пор, так это вопрос: эти крошечные сигналы проходят через остальную зрительную систему и позволяют наблюдателю что-то видеть или же отфильтровываются в виде шума и теряются. Вопрос сложный, потому что нужных инструментов для проверки попросту не было. Свет, который испускается отовсюду, от Солнца до неоновых огней, это всего лишь случайный поток фотонов, словно дождь, падающий с неба. Нет никакого способа точно спрогнозировать, когда появится следующий фотон, или сколько конкретно фотонов появится в заданный временной интервал. Неважно, насколько тусклым будет свет, этот факт не позволяет убедиться, что человек-наблюдатель на самом деле видит лишь один фотон — он может видеть два или три.

Проблема случайности фотонов

За последние 75 лет или около того ученые придумали хитрые способы обойти проблему случайных фотонов. Но в конце 1980-х новая область под названием квантовая оптика породила удивительный инструмент: источник одиночных фотонов. Это был совершенно новый тип света, которого мир не видывал прежде, и он предоставил ученым возможность производить ровно один фотон одномоментно. Вместо дождя мы получили пипетку.

Сегодня есть множество рецептов создания отдельных фотонов, включая захваченные атомы, квантовые точки и дефекты в кристаллах алмаза. Мой любимый рецепт — это спонтанное параметрическое рассеяние с понижением частоты. Для этого нужно взять лазер и направить его на кристалла бората бета-бария. Внутри кристалла фотоны лазера спонтанно расщепляются на два дочерних фотона. Новорожденная пара дочерних фотонов появляется на другом конце кристалла, образуя Y-форму. Второй шаг: взять один из дочерних фотонов и отправить его в детектор одиночных фотонов, который «пикнет» при обнаружении фотона. Поскольку дочерние фотоны всегда образуются парами, этот писк сообщит о том, что существует ровно один фотон на другом конце формы Y, готовый для использования в эксперименте.

Есть еще один важный трюк для изучения однофотонного зрения. Просто отправить один фотон наблюдателю и спросить «ну что, увидел?» — это неверно построенный эксперимент, потому что человек не сможет ответить на этот вопрос объективно. Мы не любим говорить «да», если не уверены, но в таком крошечном сигнале трудно быть уверенным. Шум в зрительной системе — которая может производить фантомные вспышки даже в полной темноте — также добавляет помех. Лучше всего было бы спросить наблюдателя, какую из двух альтернатив он предпочел бы. В наших экспериментах мы случайно выбираем, куда послать фотон — в левую или правую часть глаза наблюдателя — и в каждом испытании спрашивали: «Левая или правая?». Если наблюдатель может ответить на этот вопрос лучше, чем просто пытаясь угадать (что дало бы в лучшем случае 50% точность), мы знаем, что он что-то видит. Это называется дизайн эксперимента с принудительным выбором и он часто применяется в психологии.

В 2016 году исследовательская группа из Вены под руководством физика Алипаша Вазири из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке использовала подобный эксперимент, чтобы показать, что человек-наблюдатель был способен отвечать на вынужденный выбор с одним фотоном лучше, чем пытаясь угадать случайно, и таким образом убедительно показала, что человек действительно способен видеть один фотон. Используя источник отдельных фотонов на основе спонтанного параметрического рассеяния и дизайн эксперимента с вынужденным выбором, ученые создали два возможных эксперимента, которые могут вывести квантовую странность в область человеческого восприятия: испытание с использованием состояния суперпозиции и так называемый «тест Белла» с нелокальностью и человеком-наблюдателем.

Суперпозиция — уникальное квантовое понятие. Квантовые частицы — например, фотоны — описываются вероятностью того, что будущее измерение найдет их в определенном месте. Поэтому, еще до измерения, мы полагаем, что они могут быть в двух (или более) местах одновременно. Эта мысль применяется не только к местоположению частиц, но и другим свойствам, таким как поляризация, которая относится к ориентацию плоскости, вдоль которой частицы распространяются в форме волн. Измерение приводит к тому, что частицы как бы «коллапсируют», схлопываются в одно состояние или другое, но никогда не знает точно, как или почему происходит коллапс.

Зрительная система человека предоставляет новые интересные способы исследования этой проблемы. Один простой, но жутковатый тест состоял бы в том, воспринимают ли люди разницу между фотоном в состоянии суперпозиции и фотоном в конкретном месте. Физиков интересовал этот вопрос много лет и они предлагали кучу подходов — но на данный момент давайте рассматривать источник отдельных фотонов, описанный выше, который доставляет фотон в левую или правую часть глаза наблюдателя.

Во-первых, мы можем доставить фотон в суперпозиции левой и правой позиции — буквально в двух местах одновременно — и попросить наблюдателя сообщить, с какой стороны, по его мнению, появился фотон. Чтобы рассчитать любые различия в восприятии состояния суперпозиции и случайных догадок между «слева» и «справа», эксперимент будет включать контрольную группу испытаний, в которой фотон на самом деле будет посылаться просто слева или просто справа.

Создать состояние суперпозиции — это простая часть. Мы можем разделить фотон на равную суперпозицию левой и правой позиции, используя поляризационный светоделитель, оптический компонент, который пропускает и отражает свет в зависимости от поляризации. На это способно даже обычное оконное стекло — поэтому вы можете видеть как свое отражение, так и то, что за стеклом. Светоделители просто делают это надежно, с заранее определенным шансом пропускания и отражения.

Стандартная квантовая механика предсказывает, что суперпозиция левой и правой позиций не должна нести никакой разницы для наблюдателя по сравнению с фотоном, который случайным образом прилетает слева или справа. До достижения глаза суперпозиция левой и правой позиций вероятнее всего схлопнется на одной или другой стороне так быстро, что никто этого не заметит. Но пока никто не проведет такой эксперимент, мы не узнаем наверняка. Любые статистически значимые различия в соотношении людей, которые сообщают о вспышках слева или справа в суперпозиции будут неожиданными — и могут означать, что мы чего-то не знаем о квантовой механике. Наблюдателя можно также попросить описать субъективный опыт восприятия фотонов в суперпозиции. И опять же, согласно стандартной квантовой механике, никакой разницы быть не должно — однако, если она будет, это может привести к новой физике и улучшению понимания проблемы квантовых измерений.

Можно ли увидеть запутанные частицы?

Люди-наблюдатели также могли бы принять испытание другой интересной концепции квантовой механики: запутанности. Запутанные частицы обладают одним квантовым состояниям и ведут себя так, будто связаны между собой, независимо от того, как далеко находятся друг от друга.

Тесты Белла, названные в честь ирландского физика Джона С. Белла, это категория экспериментов, доказывающих, что квантовая запутанность нарушает некоторые из наших естественных представлений о реальности. В тесте Белла измерения пары запутанных частиц показывают результаты, которые не могут быть объяснены какой-либо теорией, которая подчиняется принципу локального реализма. Локальный реализм — это пара, казалось бы, очевидных предположений. Первое — это локальность: вещи, которые находятся далеко друг от друга, не могут воздействовать друг на друга быстрее, чем путешествует сигнал между ними (и теория относительности подсказывает нам, что эта скорость — скорость света). Второе — это реализм: вещи в физическом мире всегда имеют конкретные свойства, даже если не измеряются и не взаимодействуют с чем-нибудь еще.

Суть теста Белла заключается в том, что даны две частицы, которые взаимодействуют между собой и запутываются, после чего мы их разделяем и проводим измерения каждой. Мы проводим несколько видов измерений — скажем, измерение поляризации в двух разных направлениях — и договариваемся, какое из них проводить «случайно», так чтобы две частицы не могли «согласовать» результаты заранее. (Звучит странно, но когда речь заходит о квантовом мире, все становится странным). Эксперимент повторяется много раз и новые пары частиц позволяют накопить статистический результат. Локальный реализм накладывает строгий математический лимит на то, как сильно результаты между двумя частицами должны коррелировать, если не связаны неким причудливым образом. В десятках проведенных тестах Белла этот лимит был нарушен, доказывая, что квантовая механика не подчиняется локальности, реализму или им обоим.

Запутанные фотоны обычно предпочитают среди частиц в тестах Белла, и измерения нарушения локального реализма производятся при помощи электронных однофотонных детекторов. Но если люди могут видеть отдельные фотоны, наблюдатель мог бы заменить один из таких детекторов, играя непосредственную роль в проверке локального реализма.

Удобно, что спонтанное параметрическое преобразование также можно использовать для получения запутанных фотонов.

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 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 разрабатывал 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.