KDPV da vastidão da rede.
1. Introdução
Os especialistas em óptica quântica há muito tempo se interessam pelo sistema visual humano, que provavelmente é sensível a fótons individuais. Os primeiros experimentos foram limitados pela incoerência das fontes de luz clássicas, mas a era das verdadeiras fontes de fóton único e estatísticas de fótons sintonizáveis abriu novas áreas de pesquisa, incluindo a medição da eficiência quântica de bastões fotorreceptores do olho crepuscular (cerca de 33%) [1], e as estatísticas de medição de fótons de várias fontes de luz em que as hastes são usadas como sensores [2]. Um experimento recente forneceu a melhor evidência de que o sistema visual pode detectar um fóton [3], enquanto outro investigou a soma temporal no sistema visual para vários fótons [4].Esses avanços na pesquisa de visão de fóton único fornecem uma oportunidade única de estudar os efeitos quânticos com o sistema visual, incluindo superposição e emaranhamento. Este artigo fornece uma breve visão geral das pesquisas anteriores sobre visão de um único fóton e capacidades atuais, e propõe dois experimentos para estudar a percepção do estado de superposição e o uso de um observador humano como detector no teste de Bell.
2.
Logo depois que o conceito de luz como fótons emergiu no início do século XX, ficou claro que as estatísticas de fótons individuais provavelmente seriam importantes na determinação do limiar inferior da visão humana [5]. Um dos primeiros e mais famosos experimentos de limiar inferior foi realizado por Hecht, Schleer e Pirenne em 1942 [6]. Em seus estudos, os sujeitos observaram flashes de luz muito fracos com um número médio de fótons variando de 50 a 400. Após cada flash, os sujeitos (cada um dos três co-autores do estudo) foram questionados se era visível ou não. O número médio de fótons em flares variou e foi determinado com que freqüência os indivíduos detectaram um flare em cada nível. Supondo que o número de fótons detectados pelo sistema visual em cada teste seja uma variável aleatória obedecendo à distribuição de Poisson,e que um certo número limite de fótons n era necessário para a percepção, Hecht et al. calculou que o limiar para visão estava entre 5 e 7 fótons, dependendo do sujeito (fig. 1).
Figura: 1. Dados de Hecht et al. [6]. Ajustar o modelo de Poisson para medir a relação entre o número médio de fótons em chamas e a frequência com a qual o sujeito relatou estar visível fornece uma estimativa do limiar visual n.
Este experimento foi um dos primeiros a fornecer evidências de que os bastonetes podem responder a fótons únicos: flashes de luz caíram em uma área contendo cerca de 500 bastões, então, se apenas 5-7 fótons fossem detectados, qualquer bastão não poderia detectar mais de um. No entanto, este experimento apresenta vários problemas que podem levar à superestimação desses valores. O mais importante é a solicitação de simplesmente relatar se o surto foi percebido ou não, o que pode levar a uma superestimação do limiar em relação ao verdadeiro, devido a possíveis respostas falso-positivas dos sujeitos.
Além disso, em experimentos posteriores nos quais os indivíduos foram instruídos a classificar flashes de luz fracos em uma escala de 0 a 6, eles encontraram um possível limite inferior para a visão de apenas um fóton (para alguns indivíduos) [7]. Medições in vitro de células-bastonete individuais também mostraram que as células produzem sinais elétricos discretos em resposta a flashes de luz tênues e de baixo sinal que parecem corresponder a fótons únicos [8] (ver Fig. 2).
No entanto, todos esses experimentos foram limitados pela incoerência da radiação de fontes de luz clássicas que não podem produzir fótons individuais. O desenvolvimento de fontes de fóton único criou novas oportunidades na pesquisa da visão, que são discutidas na Seção 3.
. 2. () . , , . () t = 0. ~1, ~500. () , . 1 2 [9].
3.
Fontes de fóton único foram desenvolvidas para óptica quântica e pesquisa de informação quântica e incluem fontes baseadas em átomos únicos [10], vacâncias substituídas por nitrogênio em diamante [11, 12], pontos quânticos [13] e espalhamento paramétrico espontâneo com frequência decrescente ( espontâneo conversão paramétrica descendente - SPDC) [14]. As fontes SPDC são de muitas maneiras ideais para estudos de visão de um único fóton, pois podem ser muito brilhantes, podem emitir luz em uma ampla faixa de comprimento de onda (os bastões são mais sensíveis em torno de 500 nm) e têm alta eficiência, principalmente limitada por perdas ópticas. Com algumas modificações, eles também podem produzir facilmente pares de fótons emaranhados por polarização e outros graus de liberdade [15].
Na fig. 3 mostra um exemplo de uma fonte de vapor SPDC desenvolvida em nosso laboratório e otimizada para pesquisa de visão humana [16,17]. A eficiência anunciadora dessa fonte (a probabilidade de um fóton ser enviado a um observador se um fóton mensageiro for detectado ) foi de 38,5%. Ele gera fótons únicos com comprimento de onda de 505 nm próximo ao pico da sensibilidade espectral dos bastonetes.
. 3. . (VA). 562 505 (BBO); 562- (SPAD) ( , ) FPGA. 505- 25- , (PBS) (FPC); (PC), PBS. . 505- (HWP) PBS, (. 4). 505 , .
Para estudar a visão humana, uma estação de observação também é necessária, com a ajuda da qual os fótons são enviados aos olhos do sujeito (Fig. 4). Nossa estação permite que você entregue fótons a um ou dois pontos espacialmente separados da retina, em um ângulo de aproximadamente ± 16 graus à esquerda e à direita da fóvea- fossa central. Este recurso permite um design experimental melhorado em comparação com Hecht et al.: Em vez de perguntar aos indivíduos se viram um fóton ou não, pode-se enviar aleatoriamente (usando PC e PBS como mostrado na Fig. 3) um fóton para a esquerda ou direita apontar e perguntar onde ele foi visto. Isso remove o efeito de limiar artificial que pode ocorrer quando o sujeito é solicitado a classificar a presença ou ausência de um estímulo. Se os sujeitos escolherem "esquerda" ou "direita" com uma precisão significativamente maior que 50%, podemos concluir que eles viram o estímulo. A desvantagem desta abordagem é que, devido à perda ótica relativamente alta nos olhos (estimada em ~ 90-97%), um grande número de longas séries de testes são geralmente necessários para demonstrar o efeito,já que na maioria deles os sujeitos não detectam realmente o fóton.
Usamos esta fonte para estudar como o sistema visual resume os fótons em uma janela de tempo curto [4], outros usaram uma fonte SPDC semelhante e uma configuração experimental diferente (substituindo esquerda e direita por tempos de entrega de fótons anteriores e posteriores) para mostrar que os assuntos de teste podem atingir uma precisão de mais de 50% para fótons únicos. A pesquisa subsequente com um número muito maior de ensaios experimentais e design experimental melhorado (incluindo um número igual de ensaios de controle em que nenhum fóton está presente) será essencial para confirmar este resultado. No entanto, acreditamos que os humanos são realmente capazes de detectar fótons individuais. Uma oportunidade emocionante éque uma fonte de fóton único semelhante agora pode ser usada para estudar os efeitos quânticos usando o sistema visual. Os dois experimentos propostos são apresentados na Seção 4.
Figura 4. Campo de visão do sujeito e vista superior esquemática da estação de observação. A cruz de fixação (mostrada no campo de visão fora da escala) consiste em um LED fraco de 700 nm atrás de uma máscara em cruz (as hastes são insensíveis a comprimentos de onda vermelhos distantes). Os feixes esquerdo e direito são alinhados com o olho direito do assunto quando o assunto é fixado no apoio de queixo.
4. Experimentos sugeridos: superposição e emaranhamento
Se uma pessoa pode detectar fótons individuais, uma ampla gama de trabalhos e experimentos interessantes se abre diante de nós. Ao examinar como os sujeitos interagem diretamente e medem os fenômenos quânticos, podemos testar as previsões da mecânica quântica padrão e até mesmo dar ao observador humano um papel direto no teste de realismo local.
4.1
. 5. (a) /, . (HWP) 0°, 45°, , . . (b) . HWP 22.5°, (V) (D), V. (PBS) , . , , () , .
Um teste relativamente simples que podemos realizar é determinar se os humanos percebem alguma diferença entre um fóton em um estado de superposição e um estado misto clássico. O experimento de superposição no sistema visual tem sido de grande interesse por muitos anos, e várias abordagens foram propostas [18,19]. Para realizar este experimento, você pode usar a configuração mostrada na Fig. 3, mas além dos testes em que um fóton está presente no lado esquerdo ou direito da retina, os testes também podem ser realizados com um fóton representado aleatoriamente em uma sobreposição dos lados esquerdo e direito. Isso é facilmente alcançado girando a placa de meia onda mostrada na Fig. 5 à posição 22,5 °, para obter o estado
Como no teste de visão de fóton único, o sujeito é solicitado a relatar de que lado o flash era visível em cada um dos testes. De acordo com a mecânica quântica padrão, não deve haver diferença na percepção entre a mesma superposição e a mesma mistura clássica. Qualquer diferença estatisticamente significativa na proporção das respostas esquerda e direita entre essas duas condições (depois de considerar cuidadosamente qualquer desvio no hardware) indicará um efeito inesperado e pode ter implicações para interpretações alternativas da mecânica quântica (por exemplo, macrorrealismo [20,21]).
4.2 Teste de Bell com observador humano
Figura: 6. Esquema simplificado do teste de Bell com substituição de um detector por um observador humano. Quando um dos detectores no lado A indica que o fóton foi medido com a configuração, , . - : (PC) , (HWP) . PC , HWP ( ). (LC) .
Outro experimento emocionante que podemos fazer é testar o realismo local com um observador humano como detector. O primeiro passo seria substituir um detector por um observador humano e o outro por medições com nosso contador de fótons altamente eficiente (veja a Figura 6). Ao bombear simultaneamente dois cristais não lineares ortogonais, pode-se obter pares de fótons emaranhados por polarização [15, 22, 23]. Então pode-se usar a bem conhecida desigualdade CH ( Clauser-Horne ) [24], que conecta a junta e solteiro probabilidades para configurações nos analisadores de polarização A e B:
Pode-se mostrar que qualquer teoria que apóie o realismo local deve obedecer a essa desigualdade. No experimento inicial, usamos detectores de fóton único para medir todos os termos, exceto... Ao usar o conjunto ideal de configurações para análise, a desigualdade simplifica para
Onde - a probabilidade de que o sujeito detecte um fóton em seu lado (A) com a configuração de medição quando no lado (B), um fóton é detectado com a configuração de medição ... Então seexcede o valor de 0,28 com um nível de significância estatística, a desigualdade CH é violada.
Um projeto de seleção forçada, semelhante ao teste de visão de fóton único, pode ser usado para controlar a baixa probabilidade de o sujeito detectar um fóton em qualquer um dos testes. Se a medição no lado B indicar o resultado desejado para o termo, o fóton emaranhado continua a girar para a esquerda / direita (como mostrado na Fig. 5a) e é direcionado aleatoriamente para um lado do campo de visão do sujeito. Além disso, um fóton não emaranhado é enviado para o outro lado do campo de visão com uma probabilidade de 28%. O sujeito faz julgamentos independentes sobre se um fóton estava presente em qualquer um dos lados. E se, o sujeito verá o lado com o fóton emaranhado com a mesma frequência que vê o lado de controle (não emaranhado). Se eles virem o lado confuso com muito mais frequência do que o controle, a medição viola a desigualdade CH. Observe que esse teste dificilmente levará em consideração as lacunas de "tempo" e "detecção". No entanto, ainda será um estudo experimental único e interessante.
5. Conclusão
Agora que experimentos com fontes de fóton único mostraram que os humanos provavelmente podem detectar fótons únicos, uma ampla gama de novos experimentos interessantes pode ser proposta, tanto na física quanto na psicologia. Este artigo revisou pesquisas anteriores sobre o limite inferior da visão humana e apresentou dois possíveis experimentos para testar a mecânica quântica usando o sistema visual, incluindo estados de superposição e emaranhamento. O principal problema para esses e outros experimentos de visão de fóton único será a baixa probabilidade de que um fóton seja transmitido aos fotorreceptores e detectado em testes separados (talvez 5-10%, desde uma fonte absolutamente eficaz) e, consequentemente, os requisitos para uma série muito grande de testes.
Apesar de a presença de uma pessoa como observador tornar os experimentos propostos únicos e interessantes, enfatizamos que eles não devem testar a influência da consciência do observador nos resultados desses experimentos; em vez disso, esses experimentos exploram as capacidades únicas do sistema visual para testar as previsões da mecânica quântica e podem até mesmo esclarecer as limitações experimentais em proposições alternativas, como o macrorrealismo.
Há também uma série de estudos psicofísicos interessantes que nossa fonte de fóton único pode usar. Outros aspectos do empilhamento de tempo nos níveis de luz mais baixos podem ser investigados, como se a luz baixa é percebida para ser quantizada. Usando espelhos deformáveis e moduladores de luz espaciais, o empilhamento espacial pode ser estudado variando o tamanho do estímulo de baixo fóton na retina. Fontes mais avançadas que podem gerar estados com um número maior de fótons [25] também podem ser usadas para medir a função de sensibilidade visual para um número precisamente especificado de fótons.
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Adições de tradução do autor
Em algumas publicações online com tópicos de ciência popular, apareceram publicações sobre o tópico do artigo e pesquisas em andamento ( 1 , 2 ). Eles fornecem considerações adicionais relacionadas à pesquisa planejada.
Citação com tradução de 1
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Comentários do autor da tradução
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