Prueba de los límites humanos de la visión con estados cuánticos de luz: experimentos pasados, presentes y futuros

El artículo está dedicado a una revisión de los logros y estudios planificados de las capacidades cuánticas del sistema visual humano en continuación del tema planteado en esta publicación . La investigación es esencialmente interdisciplinaria en la intersección de la física cuántica y la ciencia cognitiva. Traducido con abreviaturas insignificantes y provisto por el autor de la traducción con materiales adicionales y comentarios sobre el tema, que tienen un significado independiente.



KDPV de la inmensidad de la red.



1. Introducción



Los especialistas en óptica cuántica llevan mucho tiempo interesados ​​en el sistema visual humano, que probablemente sea sensible a fotones individuales. Los primeros experimentos estuvieron limitados por la incoherencia de las fuentes de luz clásicas, pero la era de las verdaderas fuentes de fotón único y las estadísticas de fotones sintonizables ha abierto nuevas áreas de investigación, incluida la medición de la eficiencia cuántica de las varillas fotorreceptoras del ojo crepuscular (alrededor del 33%) [1] y la medición de las estadísticas de fotones de varias fuentes de luz en el que las varillas se utilizan como sensores [2]. Un experimento reciente proporcionó la mejor evidencia de que el sistema visual puede detectar un fotón [3], mientras que otro investigó la suma temporal en el sistema visual de varios fotones [4].Estos avances en la investigación de la visión de un solo fotón brindan una oportunidad única para estudiar los efectos cuánticos con el sistema visual, incluida la superposición y el entrelazamiento. Este artículo proporciona una breve descripción de la investigación previa sobre la visión de un solo fotón y las capacidades actuales, y propone dos experimentos para estudiar la percepción del estado de superposición y el uso de un observador humano como detector en la prueba de Bell.



2.



Poco después de que surgiera el concepto de luz como fotones a principios del siglo XX, quedó claro que las estadísticas de los fotones individuales probablemente serían importantes para determinar el umbral más bajo de la visión humana [5]. Uno de los primeros y más famosos experimentos de umbral inferior fue realizado por Hecht, Schleer y Pirenne en 1942 [6]. En sus estudios, los sujetos observaron destellos de luz muy tenues con un número medio de fotones que oscilaba entre 50 y 400. Después de cada destello, se preguntó a los sujetos (cada uno de los tres coautores del estudio): ¿era visible o no? Se varió el número medio de fotones en las llamaradas y se determinó la frecuencia con la que los sujetos detectaban una llamarada en cada uno de los niveles. Suponiendo que el número de fotones detectados por el sistema visual en cada prueba es una variable aleatoria que obedece a la distribución de Poisson,y que se requería un cierto número umbral de fotones n para la percepción, Hecht et al. calculó que el umbral de visión estaba entre 5 y 7 fotones, según el sujeto (Fig. 1).



Figura: 1. Datos de Hecht et al. [6]. El ajuste del modelo de Poisson para medir la relación entre el número medio de fotones en las llamaradas y la frecuencia con la que el sujeto informó que era visible da una estimación del umbral visual n.



Este experimento fue uno de los primeros en proporcionar evidencia de que los bastones pueden responder a fotones individuales: destellos de luz cayeron en un área que contiene alrededor de 500 bastones, de modo que si solo se detectaran 5-7 fotones, cualquier bastón no podría detectar más de uno. Sin embargo, hay varios problemas en esta configuración experimental que podrían llevar a una sobreestimación de estos valores. La más importante es la solicitud de informar simplemente si el brote se notó o no, lo que podría llevar a una sobreestimación del umbral en comparación con el verdadero, debido a posibles respuestas falsas positivas de los sujetos.



Además, en experimentos posteriores en los que se pidió a los sujetos que calificaran los destellos de luz débiles en una escala de 0 a 6, encontraron un posible umbral más bajo para la visión de un solo fotón (para algunos sujetos) [7]. Las mediciones in vitro de los bastoncillos individuales también han demostrado que las células producen señales eléctricas discretas en respuesta a ráfagas de luz tenue con niveles mínimos de señal que parecen corresponder a fotones individuales [8] (ver Fig. 2).



Sin embargo, todos estos experimentos se vieron limitados por la incoherencia de la radiación de las fuentes de luz clásicas, que no pueden producir fotones individuales. El desarrollo de fuentes de fotones únicos ha creado nuevas oportunidades en la investigación de la visión, que se analizan en la Sección 3.





. 2. () . , , . () t = 0. ~1, ~500. () , . 1 2 [9].



3.



Las fuentes de fotón único se han desarrollado para la investigación de la óptica cuántica y la información cuántica, e incluyen fuentes basadas en átomos individuales [10], vacantes con nitrógeno sustituido en diamantes [11, 12], puntos cuánticos [13] y dispersión paramétrica espontánea con frecuencia decreciente ( espontánea conversión descendente paramétrica - SPDC) [14]. Las fuentes SPDC son ideales en muchos sentidos para los estudios de visión de un solo fotón, ya que pueden ser muy brillantes, pueden emitir luz en un amplio rango de longitudes de onda (las varillas son más sensibles alrededor de 500 nm) y tienen una alta eficiencia, principalmente limitada por pérdidas ópticas. Con algunas modificaciones, también pueden producir fácilmente pares de fotones entrelazados por polarización y otros grados de libertad [15].



En la Fig. 3 muestra un ejemplo de una fuente de vapor SPDC desarrollada en nuestro laboratorio y optimizada para la investigación de la visión humana [16,17]. La eficiencia anunciadora de esta fuente (la probabilidad de que se envíe un fotón a un observador si se detecta el fotón mensajero ) fue del 38,5%. Genera fotones individuales con una longitud de onda de 505 nm cerca del pico de la sensibilidad espectral de las varillas.



. 3. . (VA). 562 505 (BBO); 562- (SPAD) ( , ) FPGA. 505- 25- , (PBS) (FPC); (PC), PBS. . 505- (HWP) PBS, (. 4). 505 , .



Para estudiar la visión humana, también se requiere una estación de observación, con la ayuda de la cual se envían fotones a los ojos del sujeto (Fig. 4). Nuestra estación le permite enviar fotones a uno o dos puntos separados espacialmente de la retina, en un ángulo de aproximadamente ± 16 grados a la izquierda y derecha de la fóvea.- fosa central. Esta característica permite un diseño experimental mejorado en comparación con Hecht et al.: En lugar de preguntar a los sujetos si vieron un fotón o no, uno puede enviar aleatoriamente (usando PC y PBS, como se muestra en la Fig.3) un fotón a la izquierda o derecha señalar y preguntar dónde fue visto. Esto elimina el efecto de umbral artificial que puede ocurrir cuando se le pide al sujeto que califique la presencia o ausencia de un estímulo. Si los sujetos eligen "izquierda" o "derecha" con una precisión significativamente superior al 50%, podemos concluir que vieron el estímulo. La desventaja de este enfoque es que debido a la pérdida óptica relativamente alta en los ojos (estimada ~ 90-97%), generalmente se requiere una gran cantidad de series largas de pruebas para demostrar el efecto.ya que en la mayoría de ellos los sujetos realmente no detectan el fotón.



Usamos esta fuente para estudiar cómo el sistema visual resume los fotones en un corto período de tiempo [4], otros usaron una fuente SPDC similar y una configuración experimental diferente (reemplazando la izquierda y la derecha con tiempos de entrega de fotones anteriores y posteriores) para mostrar que los sujetos de prueba pueden lograr una precisión de más del 50% para fotones individuales. La investigación posterior con un número mucho mayor de ensayos experimentales y un diseño experimental mejorado (incluido un número igual de ensayos de control en los que no hay fotones presentes) será esencial para confirmar este resultado. Sin embargo, creemos que los humanos son capaces de detectar fotones individuales. Una oportunidad emocionante esque ahora se puede usar una fuente similar de fotón único para estudiar efectos cuánticos usando el sistema visual. En la Sección 4 se presentan dos experimentos sugeridos.





Figura 4. Campo de visión del sujeto y vista superior esquemática de la estación de observación. La cruz de fijación (que se muestra en el campo de visión no a escala) consiste en un LED tenue de 700 nm detrás de una máscara en forma de cruz (las varillas son insensibles a las longitudes de onda del rojo lejano). Los rayos izquierdo y derecho se alinean con el ojo derecho del sujeto cuando el sujeto está fijo en la mentonera.



4. Experimentos sugeridos: superposición y entrelazamiento



Si una persona puede detectar fotones individuales, en el futuro se abre ante nosotros una amplia gama de trabajos y experimentos emocionantes. Al examinar cómo los sujetos interactúan directamente con los fenómenos cuánticos y los miden, podemos probar las predicciones de la mecánica cuántica estándar e incluso otorgar al observador humano un papel directo en la prueba de realismo local.



4.1





. 5. (a) /, . (HWP) 0°, 45°, , . . (b) . HWP 22.5°, (V) (D), V. (PBS) , . , , () , .



Una prueba relativamente simple que podemos realizar es determinar si los humanos perciben alguna diferencia entre un fotón en un estado de superposición y un estado mixto clásico. El experimento de superposición en el sistema visual ha sido de gran interés durante muchos años, y se han propuesto varios enfoques [18,19]. Para realizar este experimento, puede utilizar la configuración que se muestra en la Fig. 3, pero además de las pruebas en las que está presente un fotón en el lado izquierdo o derecho de la retina, también se pueden realizar pruebas con un fotón representado aleatoriamente en una superposición de los lados izquierdo y derecho. Esto se logra fácilmente girando la placa de media onda que se muestra en la Fig. 5 a la posición de 22,5 °, para obtener el estado

12(|H,ryogramoht>+|V,lmiFt>)

Al igual que en la prueba de visión de fotón único, se le pide al sujeto que informe de qué lado fue visible el destello en cada una de las pruebas. Según la mecánica cuántica estándar, no debería haber diferencia de percepción entre la misma superposición y la misma mezcla clásica. Cualquier diferencia estadísticamente significativa en la proporción de respuestas izquierda y derecha entre estas dos condiciones (después de considerar cuidadosamente cualquier desviación en el hardware) indicará un efecto inesperado y puede tener implicaciones para interpretaciones alternativas de la mecánica cuántica (por ejemplo, macrorrealismo [20, 21]).



4.2 Prueba de campana con observador humano





Figura: 6. Esquema simplificado de la prueba de Bell con reemplazo de un detector por un observador humano. Cuando uno de los detectores del lado A indica que el fotón se ha medido con elsegundo=67,cinco°, , . - : (PC) , (HWP) . PC , HWP ( ). (LC) .



Otro experimento emocionante que podemos hacer es probar el realismo local con un observador humano como detector. El primer paso sería reemplazar un detector con un observador humano y el otro con mediciones con nuestro contador de fotones altamente eficiente (ver Fig. 6). Al bombear simultáneamente dos cristales no lineales ortogonales, se pueden obtener pares de fotones entrelazados por polarización [15, 22, 23]. Entonces uno puede usar la bien conocida desigualdad CH ( Clauser-Horne ) [24], que conecta la articulación(C) y soltero (s) probabilidades para la configuración un,un,segundo,segundo en analizadores de polarización A y B:

C12(un,segundo)+C12(un,segundo)+C12(un,segundo)-C12(un,segundo)s1(un)+s2(segundo)

Se puede demostrar que cualquier teoría que apoye el realismo local debe obedecer a esta desigualdad. En el experimento inicial, usamos detectores de fotón único para medir todos los términos exceptoC12(un,segundo)... Cuando se utiliza el conjunto óptimo de ajustes para el análisis(un=0°,un=45°,segundo=22,cinco°,segundo=67,cinco°), la desigualdad se simplifica a

3Cos2(22,5°)/2-pagsosegundos1

pagsosegundos0,28

Dónde pagsosegundos - la probabilidad de que el sujeto detecte un fotón en su lado (A) con el ajuste de medición un(45°)cuando en el lado (B) se detecta un fotón con el ajuste de medición segundo(67,cinco°)... Así que sipagsosegundosexcede el valor de 0.28 con un nivel estadístico de significancia, se viola la desigualdad CH.



Se puede utilizar un diseño de selección forzada, similar a la prueba de visión de fotón único, para controlar la baja probabilidad de que el sujeto detecte un fotón en cualquiera de las pruebas. Si la medición en el lado B indica el resultado deseado para el términoC12(un,segundo), el fotón entrelazado continúa volteándose hacia la izquierda / derecha (como se muestra en la Fig. 5a) y se dirige aleatoriamente hacia un lado del campo de visión del sujeto. Además, un fotón no entrelazado se alimenta al otro lado del campo de visión con una probabilidad del 28%. El sujeto hace juicios independientes sobre si un fotón estaba presente en cada lado. Sipagsosegundos=0,28, el sujeto verá el lado con el fotón entrelazado tan a menudo como ve el lado de control (no entrelazado). Si ven el lado confuso con mucha más frecuencia que el control, la medición viola la desigualdad de CH. Tenga en cuenta que dicha prueba casi nunca tendrá en cuenta las lagunas de "sincronización" y "detección". Sin embargo, seguirá siendo un estudio experimental único e interesante.



5. Conclusión



Ahora que los experimentos con fuentes de fotones únicos han demostrado que los humanos probablemente pueden detectar fotones individuales, se puede proponer una amplia gama de nuevos experimentos interesantes, tanto en física como en psicología. Este artículo revisó investigaciones anteriores sobre el límite inferior de la visión humana y presentó dos posibles experimentos para probar la mecánica cuántica usando el sistema visual, incluidos los estados de superposición y entrelazamiento. El principal problema para estos y otros experimentos de visión de un solo fotón será la baja probabilidad de que un fotón se transmita a los fotorreceptores y se detecte en pruebas separadas (tal vez 5-10%, proporcionando una fuente absolutamente eficaz) y, en consecuencia, el requisito de una gran serie de pruebas.



A pesar de que la presencia de una persona como observador hace que los experimentos propuestos sean únicos e interesantes, enfatizamos que no se supone que prueben la influencia de la conciencia del observador en los resultados de estos experimentos; más bien, estos experimentos explotan el poder único del sistema visual para probar las predicciones de la mecánica cuántica, e incluso pueden aclarar las limitaciones experimentales de proposiciones alternativas como el macrorrealismo.



También hay una serie de estudios psicofísicos interesantes que nuestra fuente de fotón único puede utilizar. Se pueden investigar otros aspectos del apilamiento de tiempo a los niveles de luz más bajos, como si se percibe que se cuantifica la luz baja. Utilizando espejos deformables y moduladores de luz espacial, se puede estudiar el apilamiento espacial variando el tamaño del estímulo de fotones bajos en la retina. Las fuentes más avanzadas que pueden generar estados con un mayor número de fotones [25] también pueden usarse para medir la función de sensibilidad visual para un número de fotones especificado con precisión.



BIBLIOGRAFÍA
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Adiciones de autores de traducción



En algunas publicaciones en línea con temas de divulgación científica, aparecieron publicaciones sobre el tema del artículo y la investigación en curso ( 1 , 2 ). Proporcionan consideraciones adicionales relacionadas con la investigación planificada.



Cita con traducción de 1
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El artículo 2 está traducido casi por completo en uno de los recursos y revela el nombre del inspirador ideológico de estos estudios.
Cita de ella
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Comentarios del autor de la traducción



Los comentarios pueden contener, explícita o implícitamente, la opinión del autor sobre los temas presentados.



  1. Una revisión de otras investigaciones en óptica cuántica que utilizan el ojo como detector de efectos cuánticos.
  2. El criterio del macrorrealismo es la explicación y la prueba.
  3. El papel de los estados subjetivos en la descripción física.



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