🌉 🌙 🐢 Tester les limites de la vision humaine avec des états quantiques de lumière: expériences passées, présentes et futures 🧕🏻 🔣 💻

L'article est consacré à une revue des réalisations et des études prévues des capacités quantiques du système visuel humain dans le prolongement du sujet abordé dans cette publication . La recherche est essentiellement de nature interdisciplinaire à l'intersection de la physique quantique et des sciences cognitives. Traduit avec des abréviations insignifiantes et fourni par l'auteur de la traduction avec des documents supplémentaires et des commentaires sur le sujet, qui sont d'une importance indépendante.

KDPV de l'immensité du réseau.

1. Introduction

Les spécialistes de l'optique quantique s'intéressent depuis longtemps au système visuel humain, qui est susceptible d'être sensible aux photons uniques. Les premières expériences ont été limitées par l'incohérence de l'émission des sources lumineuses classiques, mais l'ère des véritables sources à photons uniques et des statistiques de photons accordables a ouvert de nouveaux domaines de recherche, notamment la mesure de l'efficacité quantique des tiges de photorécepteur crépusculaire de l'œil (environ 33%) [1], et la mesure des statistiques des photons provenant de diverses sources de lumière dans lesquels des tiges sont utilisées comme capteurs [2]. Une expérience récente a fourni la meilleure preuve que le système visuel peut détecter un photon [3], tandis qu'une autre a étudié la sommation temporelle dans le système visuel pour plusieurs photons [4].Ces progrès dans la recherche sur la vision à photon unique offrent une occasion unique d'étudier les effets quantiques avec le système visuel, y compris la superposition et l'intrication. Cet article donne un bref aperçu des recherches précédentes sur la vision à photon unique et les capacités actuelles, et propose deux expériences pour étudier la perception de l'état de superposition et l'utilisation d'un observateur humain comme détecteur dans le test de Bell.

2.

Peu de temps après l'émergence du concept de lumière en tant que photons au début du XXe siècle, il est devenu clair que les statistiques des photons individuels étaient probablement importantes pour déterminer le seuil inférieur de la vision humaine [5]. L'une des expériences à seuil inférieur les plus anciennes et les plus célèbres a été réalisée par Hecht, Schleer et Pirenne en 1942 [6]. Dans leurs études, les sujets ont observé des flashs de lumière très faibles avec un nombre moyen de photons allant de 50 à 400. Après chaque flash, on a demandé aux sujets (chacun des trois co-auteurs de l'étude) s'il était visible ou non? Le nombre moyen de photons dans les éruptions a varié et il a été déterminé à quelle fréquence les sujets détectaient une éruption à chacun des niveaux. En supposant que le nombre de photons détectés par le système visuel dans chaque test est une variable aléatoire obéissant à la distribution de Poisson,et qu'un certain nombre seuil de photons n était requis pour la perception, Hecht et al. ont calculé que le seuil de vision était compris entre 5 et 7 photons, selon le sujet (Fig. 1).

Figure: 1. Données de Hecht et al. [6]. L'ajustement du modèle de Poisson pour mesurer la relation entre le nombre moyen de photons dans les éruptions et la fréquence à laquelle le sujet a signalé être visible donne une estimation du seuil visuel n.

Cette expérience a été l'une des premières à fournir la preuve que les bâtonnets peuvent répondre à des photons uniques: des éclairs de lumière sont tombés sur une zone contenant environ 500 bâtonnets, de sorte que si seulement 5 à 7 photons étaient détectés, aucun bâtonnet ne pourrait en détecter plus d'un. Cependant, il existe plusieurs problèmes dans cette configuration expérimentale qui pourraient conduire à une surestimation de ces valeurs. Le plus important est la demande de simplement signaler si l'épidémie a été remarquée ou non, ce qui pourrait conduire à une surestimation du seuil par rapport au vrai, en raison d'éventuelles réponses faussement positives des sujets.

De plus, dans des expériences ultérieures dans lesquelles les sujets devaient évaluer les éclairs faibles de lumière sur une échelle de 0 à 6, ils ont trouvé un seuil inférieur possible pour la vision d'un seul photon (pour certains sujets) [7]. Des mesures in vitro de cellules individuelles en bâtonnets ont également montré que les cellules produisent des signaux électriques discrets en réponse à des salves de lumière faible avec des niveaux de signal minimaux qui semblent correspondre à des photons uniques [8] (voir Fig. 2).

Cependant, toutes ces expériences ont été limitées par l'incohérence du rayonnement des sources lumineuses classiques, qui ne peuvent produire des photons uniques. Le développement de sources à photon unique a créé de nouvelles opportunités dans la recherche sur la vision, qui sont discutées dans la section 3.

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

3.

Des sources à photon unique ont été développées pour l'optique quantique et la recherche sur l'information quantique, et comprennent des sources basées sur des atomes uniques [10], des lacunes substituées à l'azote dans le diamant [11, 12], des points quantiques [13] et une diffusion paramétrique spontanée avec une fréquence décroissante ( spontanée conversion descendante paramétrique - SPDC) [14]. Les sources SPDC sont à bien des égards idéales pour les études de vision à photon unique, car elles peuvent être très lumineuses, peuvent émettre de la lumière dans une large plage de longueurs d'onde (les bâtonnets sont plus sensibles autour de 500 nm) et ont un rendement élevé, limité principalement par les pertes optiques. Avec quelques modifications, ils peuvent également produire facilement des paires de photons enchevêtrés de polarisation et d'autres degrés de liberté [15].

En figue. 3 montre un exemple de source de vapeur SPDC développée dans notre laboratoire et optimisée pour la recherche sur la vision humaine [16,17]. L'efficacité annonciatrice de cette source (la probabilité qu'un photon soit envoyé à un observateur si le photon messager est détecté ) était de 38,5%. Il génère des photons uniques d'une longueur d'onde de 505 nm près du pic de la sensibilité spectrale des bâtonnets.

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

Pour étudier la vision humaine, une station d'observation est également nécessaire, à l'aide de laquelle des photons sont délivrés aux yeux du sujet (Fig. 4). Notre station vous permet de délivrer des photons à un ou deux points spatialement séparés de la rétine, à un angle d'environ ± 16 degrés à gauche et à droite de la fovéa- fosse centrale. Cette fonctionnalité permet une conception expérimentale améliorée par rapport à Hecht et al.: Au lieu de demander aux sujets s'ils ont vu un photon ou non, on peut aléatoirement (en utilisant PC et PBS comme indiqué sur la figure 3) envoyer un photon vers la gauche ou la droite pointez et demandez où il a été vu. Cela supprime l'effet de seuil artificiel qui peut se produire lorsque le sujet est invité à évaluer la présence ou l'absence d'un stimulus. Si les sujets choisissent «gauche» ou «droite» avec une précision significativement supérieure à 50%, alors nous pouvons conclure qu'ils ont vu le stimulus. L'inconvénient de cette approche est qu'en raison de la perte optique relativement élevée dans les yeux (estimée ~ 90-97%), un grand nombre de longues séries de tests sont généralement nécessaires pour démontrer l'effet,car dans la plupart d'entre eux, les sujets ne détectent pas réellement le photon.

Nous avons utilisé cette source pour étudier comment le système visuel résume les photons dans une courte fenêtre de temps [4], d'autres ont utilisé une source SPDC similaire et une configuration expérimentale différente (en remplaçant la gauche et la droite par des délais de livraison de photons plus tôt et plus tard) pour montrer que les sujets de test peuvent atteindre une précision de plus de 50% pour des photons uniques. Des recherches ultérieures avec un nombre beaucoup plus grand d'essais expérimentaux et une conception expérimentale améliorée (y compris un nombre égal d'essais de contrôle dans lesquels aucun photon n'est présent) seront essentielles pour confirmer ce résultat. Cependant, nous pensons que les humains sont effectivement capables de détecter des photons uniques. Une opportunité passionnante estqu'une source à photon unique similaire peut maintenant être utilisée pour étudier les effets quantiques à l'aide du système visuel. Les deux expériences proposées sont présentées dans la section 4.

Figure 4. Champ de vision du sujet et vue schématique de dessus de la station d'observation. La croix de fixation (représentée dans le champ de vision non à l'échelle) consiste en une faible LED de 700 nm derrière un masque réticule (les tiges sont insensibles aux longueurs d'onde rouges lointaines). Les rayons gauche et droit sont alignés avec l'œil droit du sujet lorsque le sujet est fixé sur la mentonnière.

4. Expériences suggérées: superposition et enchevêtrement

Si une personne peut détecter des photons uniques, alors un large éventail d'œuvres et d'expériences passionnantes s'ouvre devant nous. En examinant comment les sujets interagissent directement avec et mesurent les phénomènes quantiques, nous pouvons tester les prédictions de la mécanique quantique standard et même donner à l'observateur humain un rôle direct dans le test de réalisme local.

4.1

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

Un test relativement simple que nous pouvons effectuer est de déterminer si les humains perçoivent une différence entre un photon dans un état de superposition et un état mixte classique. L'expérience de superposition dans le système visuel est d'un grand intérêt depuis de nombreuses années, et plusieurs approches ont été proposées [18,19]. Pour effectuer cette expérience, vous pouvez utiliser la configuration illustrée à la Fig. 3, mais en plus des tests dans lesquels un photon est présent sur le côté gauche ou droit de la rétine, des tests peuvent également être réalisés avec un photon représenté de manière aléatoire dans une superposition des côtés gauche et droit. Ceci est facilement réalisé en faisant tourner la plaque demi-onde représentée sur la Fig. 5 à la position 22,5 °, pour obtenir l'état

\frac{1}{\sqrt{2}} (| H, r i g h t > + | V, l e f t >)

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

Comme dans le test de vision à photon unique, le sujet est invité à indiquer de quel côté le flash était visible dans chacun des tests. Selon la mécanique quantique standard, il ne devrait y avoir aucune différence de perception entre la même superposition et le même mélange classique. Toute différence statistiquement significative dans le rapport des réponses gauche et droite entre ces deux conditions (après avoir soigneusement pris en compte toute déviation dans le matériel) indiquera un effet inattendu et peut avoir des implications pour des interprétations alternatives de la mécanique quantique (par exemple le macroréalisme [20,21]).

4.2 Test de Bell avec un observateur humain

Figure: 6. Schéma simplifié du test de Bell avec remplacement d'un détecteur par un observateur humain. Lorsque l'un des détecteurs du côté A indique que le photon a été mesuré avec le réglage $b' = 67,5°$ , , . - : (PC) , (HWP) . PC , HWP ( ). (LC) .

Une autre expérience passionnante que nous pouvons faire est de tester le réalisme local avec un observateur humain comme détecteur. La première étape serait de remplacer un détecteur par un observateur humain et l'autre par des mesures avec notre compteur de photons très efficace (voir Fig. 6). En pompant simultanément deux cristaux non linéaires orthogonaux, on peut obtenir des paires de photons enchevêtrés de polarisation [15, 22, 23]. On peut alors utiliser l'inégalité CH ( Clauser-Horne ) bien connue [24], qui relie l'articulation

(c)

$(c)$ et célibataire

(s)

$(s)$ probabilités pour les paramètres

a, a^{'}, b, b^{'}

$a, a', b, b'$ sur les analyseurs polarisants A et B:

c_{12} (a, b) + c_{12} (a^{'}, b) + c_{12} (a^{'}, b^{'}) - c_{12} (a, b^{'}) \leq s_{1} (a^{'}) + s_{2} (b)

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

On peut montrer que toute théorie soutenant le réalisme local doit obéir à cette inégalité. Dans l'expérience initiale, nous utilisons des détecteurs à photon unique pour mesurer tous les termes sauf

c 12 (a^{'}, b^{'})

$c12(a',b')$ ... Lors de l'utilisation de l'ensemble optimal de paramètres pour l'analyse

(a = 0 °, a^{'} = 45 °, b = 22, 5 °, b^{'} = 67, 5 °)

$(a = 0°, a' = 45°, b = 22,5°, b' = 67,5°)$ , l'inégalité se simplifie en

3 c o s^{2} (22.5 °) / 2 - p_{o b s} \leq 1

$3cos^2 (22.5°)/2 − p_{obs} ≤ 1$

p_{o b s} \geq 0.28

$p_{obs} ≥ 0.28$

Où

p_{o b s}

$p_{obs}$ - la probabilité que le sujet détecte un photon de son côté (A) avec le réglage de mesure

a^{'} (45 °)

$a' (45°)$ quand du côté (B) un photon est détecté avec le réglage de mesure

b^{'} (67, 5 °)

$b' (67,5°)$ ... Donc si

p_{o b s}

$p_{obs}$ dépasse la valeur de 0,28 avec un niveau statistique de signification, l'inégalité CH est violée.

Une conception à sélection forcée, similaire au test de vision à photon unique, peut être utilisée pour contrôler la faible probabilité que le sujet détecte un photon dans l'un des tests. Si la mesure du côté B indique le résultat souhaité pour le terme

c_{12} (a^{'}, b^{'})

$c_{12}(a',b')$ , le photon intriqué continue de basculer vers la gauche / droite (comme le montre la figure 5a) et est dirigé de manière aléatoire vers un côté du champ de vision du sujet. De plus, un photon non intriqué est envoyé de l'autre côté du champ de vision avec une probabilité de 28%. Le sujet émet des jugements indépendants sur la présence ou non d'un photon de chaque côté. Si

p_{o b s} = 0, 28

$p_{obs} = 0,28$ , le sujet verra le côté avec le photon intriqué aussi souvent qu'il voit le côté de contrôle (non intriqué). S'ils voient le côté emmêlé beaucoup plus souvent que le contrôle, la mesure viole l'inégalité CH. Notez qu'un tel test ne prendra presque jamais en compte les failles de «timing» et de «détection». Cependant, ce sera toujours une étude expérimentale unique et intéressante.

5. Conclusion

Maintenant que les expériences avec des sources à photons uniques ont montré que les humains peuvent probablement détecter des photons uniques, un large éventail de nouvelles expériences intéressantes peut être proposé, à la fois en physique et en psychologie. Cet article a passé en revue les recherches précédentes sur la limite inférieure de la vision humaine et a présenté deux expériences possibles pour tester la mécanique quantique à l'aide du système visuel, y compris les états de superposition et d'intrication. Le principal problème pour ces expériences de vision à photon unique et d'autres sera la faible probabilité qu'un photon soit transmis aux photorécepteurs et détecté dans des tests séparés (peut-être 5 à 10%, à condition que la source soit absolument efficace) et, par conséquent, l'exigence de très grandes séries de tests.

Malgré le fait que la présence d'une personne en tant qu'observateur rend les expériences proposées uniques et intéressantes, nous soulignons qu'elles ne sont pas censées tester l'influence de la conscience de l'observateur sur les résultats de ces expériences; au contraire, ces expériences exploitent les capacités uniques du système visuel pour tester les prédictions de la mécanique quantique, et peuvent même clarifier les limites expérimentales sur des propositions alternatives telles que le macroréalisme.

Il existe également un certain nombre d'études psychophysiques intéressantes que notre source unique de photons peut utiliser. D'autres aspects de l'empilement temporel aux niveaux de lumière les plus bas peuvent être étudiés, par exemple si une faible lumière est perçue comme quantifiée. En utilisant des miroirs déformables et des modulateurs spatiaux de lumière, l'empilement spatial peut être étudié en faisant varier la taille du stimulus à faible photon sur la rétine. Des sources plus avancées qui peuvent générer des états avec un plus grand nombre de photons [25] peuvent également être utilisées pour mesurer la fonction de sensibilité visuelle pour un nombre précis de photons.

BIBLIOGRAPHIE

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Ajouts d'auteurs de traduction

Dans certaines publications en ligne sur des sujets de vulgarisation scientifique, des publications sont apparues sur le sujet de l'article et sur les recherches en cours ( 1 , 2 ). Ils fournissent des considérations supplémentaires liées à la recherche prévue.

Citation avec traduction de 1

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L'article 2 est presque entièrement traduit sur l'une des ressources , et révèle le nom de l'inspirateur idéologique de ces études.

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