🦅 🧑🏽‍🤝‍🧑🏽 ☝🏼 量子光状態による人間の視界の限界のテスト：過去、現在、未来の実験 🤸🏼 🤛🏻 👨‍👩‍👦

この記事は、この出版物で提起されたトピックの続きとして、人間の視覚システムの量子能力の成果と計画された研究のレビューに専念しています。研究は本質的に、量子物理学と認知科学の交差点で学際的です。重要でない省略形で翻訳され、翻訳の作成者によって、独立した重要性を持つトピックに関する追加の資料とコメントとともに提供されます。

広大なネットワークからのKDPV。

1.はじめに

量子光学の専門家は、単一光子に敏感である可能性が高い人間の視覚システムに長い間関心を持ってきました。初期の実験は、古典的な光源からの放射のインコヒーレンスによって制限されていましたが、真の単一光子源と調整可能な光子統計の時代は、目の夕暮れの光受容体ロッドの量子効率の測定（約33％）[1]、さまざまな光源からの光子の統計の測定など、新しい研究分野を切り開きました。ロッドがセンサーとして使用されている[2]。最近の実験では、視覚システムが1つの光子を検出できるというより良い証拠が提供され[3]、別の実験では、視覚システムでの複数の光子の時間的合計が調査されました[4]。単一光子ビジョン研究におけるこれらの進歩は、重ね合わせや絡み合いなど、視覚システムで量子効果を研究するユニークな機会を提供します。この記事では、単一光子ビジョンと現在の機能に関するこれまでの研究の概要を説明し、重ね合わせ状態の認識とベルテストでの検出器としての人間の観察者の使用を研究するための2つの実験を提案します。

2.

20世紀初頭に光子としての光の概念が出現した直後に、個々の光子の統計が人間の視覚の下限しきい値を決定する上で重要である可能性が高いことが明らかになりました[5]。最も初期で最も有名な下限しきい値実験の1つは、1942年にHecht、Schleer、およびPirenneによって実施されました[6]。彼らの研究では、被験者は平均光子数が50から400の範囲の非常に薄暗い閃光を観察しました。各閃光の後、被験者（3人の研究共著者のそれぞれ）にそれが見えるかどうか尋ねました。フレア内のフォトンの平均数はさまざまであり、被験者が各レベルでフレアを検出する頻度を決定しました。各テストで視覚システムによって検出された光子の数がポアソン分布に従うランダム変数であると仮定すると、そして、知覚のために特定の閾値数の光子nが必要であったこと、Hecht等。視力の閾値は、被験者に応じて5〜7フォトンであると計算されました（図1）。

図： 1. Hecht etal。からのデータ。 [6]。フレア内の光子の平均数と被験者が見えると報告された頻度との関係を測定するためにポアソンモデルをフィッティングすると、視覚的しきい値nの推定値が得られます。

この実験は、ロッドが単一の光子に応答できるという証拠を最初に提供したものの1つです。約500本の棒を含む領域に閃光が当たったため、5〜7個の光子しか検出されなかった場合、単一の棒で複数の光子を検出することはできませんでした。ただし、この実験設計には、これらの値の過大評価につながる可能性のあるいくつかの問題があります。最も重要なのは、発生が通知されたかどうかを単に報告する要求です。これは、被験者の誤検出の可能性があるため、実際のしきい値と比較してしきい値を過大評価する可能性があります。

さらに、被験者が0から6のスケールで弱い閃光を評価するように指示された後の実験で、彼らはたった1つの光子の視覚の可能なより低い閾値を発見しました（一部の被験者）[7]。個々のロッドセルのinvitro測定では、単一光子に対応するように見える最小の信号レベルで、薄暗い光バーストに応答してセルが個別の電気信号を生成することも示されています[8]（図2を参照）。

ただし、これらの実験はすべて、単一光子を生成できない古典的な光源からの放射のインコヒーレンスによって制限されていました。単一光子源の開発は、ビジョン研究に新しい機会を生み出しました。これについては、セクション3で説明します。

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

3.

単一光子源は、量子光学および量子情報研究のために開発されており、単一原子[10]、ダイヤモンドの窒素置換空孔[11、12]、量子ドット[13]、および周波数が減少する自発的パラメトリック散乱（自発的）に基づく源が含まれます。パラメトリックダウンコンバージョン-SPDC）[14]。 SPDC光源は、非常に明るく、広い波長範囲で発光でき（ロッドは、500 nm付近で最も感度が高い）、主に光損失によって制限される高効率であるため、多くの点で単一光子ビジョン研究に理想的です。いくつかの変更を加えることで、偏光が絡み合った光子のペアやその他の自由度を簡単に生成することもできます[15]。

図では図3は、私たちの研究室で開発され、人間の視覚研究用に最適化されたSPDC蒸気源の例を示しています[16、17]。このソースの予告効率（メッセンジャーフォトンが検出された場合にフォトンがオブザーバーに送信される確率）は38.5％でした。ロッドのスペクトル感度のピーク近くに、波長505nmの単一光子を生成します。

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

人間の視覚を研究するには、観察ステーションも必要であり、その助けを借りて、光子が被験者の目に送られます（図4）。私たちのステーションでは、中心窩の左右に約±16度の角度で、網膜の1つまたは2つの空間的に離れたポイントに光子を送ることができます-中央窩。この機能により、Hecht et alと比較して実験設計を改善できます。被験者に光子を見たかどうかを尋ねる代わりに、ランダムに（図3に示すようにPCとPBSを使用して）光子を左または右に送ることができます。彼がどこで見られたかを指差して尋ねます。これにより、被験者が刺激の有無を評価するように求められたときに発生する可能性のある人為的なしきい値効果が排除されます。被験者が50％を大幅に超える精度で「左」または「右」を選択した場合、刺激を見たと結論付けることができます。このアプローチの欠点は、目の光学的損失が比較的高いため（推定〜90〜97％）、効果を実証するために通常、多数の長い一連のテストが必要になることです。それらのほとんどでは、被験者は実際には光子を検出しないためです。

このソースを使用して、ビジュアルシステムが短い時間枠内でフォトンを要約する方法を研究しました[4]。他のソースは、同様のSPDCソースと異なる実験セットアップ（左右を前後のフォトン配信時間に置き換える）を使用して示しました。その被験者は、単一光子に対して50％を超える精度を達成できます。この結果を確認するには、はるかに多くの実験的試行と改善された実験的設計（光子が存在しない同数の対照試験を含む）によるその後の研究が不可欠です。しかし、人間は確かに単一光子を検出できると私たちは信じています。エキサイティングな機会は同様の単一光子源を使用して、視覚システムを使用して量子効果を研究できるようになりました。提案された2つの実験は、セクション4に示されています。

図4.被験者の視野と観測ステーションの概略上面図。固定クロス（縮尺どおりではなく視野に表示）は、クロスヘアマスクの後ろにあるかすかな700nm LEDで構成されています（ロッドは遠赤色の波長に反応しません）。被験者をチンレストに固定すると、左右のビームが被験者の右目に揃います。

4.提案された実験：重ね合わせと絡み合い

人が単一光子を検出できれば、将来、私たちの前にさまざまな刺激的な作品や実験が開かれます。被験者が量子現象と直接相互作用して測定する方法を調べることにより、標準的な量子力学の予測をテストし、人間の観察者にローカルリアリズムテストで直接的な役割を与えることさえできます。

4.1

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

私たちが実行できる比較的簡単なテストの1つは、重ね合わせ状態の光子と古典的な混合状態の光子の違いを人間が知覚するかどうかを判断することです。視覚系での重ね合わせ実験は長年にわたって非常に興味深いものであり、いくつかのアプローチが提案されています[18,19]。この実験を実行するには、図に示す設定を使用できます。3、ただし、網膜の左側または右側に1つの光子が存在するテストに加えて、左側と右側の重ね合わせでランダムに表された光子を使用してテストを実行することもできます。これは、図に示す半波板を回転させることで簡単に実現できます。5から22.5°の位置で、状態を取得します

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

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

単一光子ビジョンテストと同様に、被験者は各テストでフラッシュがどちら側から見えたかを報告するように求められます。標準的な量子力学によれば、同じ重ね合わせと同じ古典的な混合物の間で知覚に違いはないはずです。（ハードウェアの偏差を注意深く考慮した後）これら2つの条件間の左右の応答の比率に統計的に有意な差がある場合は、予期しない影響を示し、量子力学の代替解釈（マクロリアリズム[20,21]など）に影響を与える可能性があります。

4.2人間の観察者によるベルテスト

図：6.1つの検出器を人間の観察者に置き換えるベルのテストの簡略化されたスキーム。サイドAの検出器の1つが、フォトンが設定で測定されたことを示している場合 $b' = 67,5°$ , , . - : (PC) , (HWP) . PC , HWP ( ). (LC) .

私たちができるもう1つのエキサイティングな実験は、人間の観察者を検出器としてローカルリアリズムをテストすることです。最初のステップは、一方の検出器を人間の観察者に置き換え、もう一方を高効率のフォトンカウンターを使用した測定に置き換えることです（図6を参照）。2つの直交する非線形結晶を同時にポンピングすることにより、偏光が絡み合った光子のペアを得ることができます[15、22、23]。次に、ジョイントを接続するよく知られたCH（Clauser-Horne）不等式[24]を使用できます。

(c)

$(c)$ とシングル

(s)

$(s)$ 設定の確率

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

$a, a', b, b'$ 偏光分析器AおよびB：

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

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

ローカルリアリズムをサポートする理論は、この不平等に従わなければならないことを示すことができます。最初の実験では、単一光子検出器を使用して、を除くすべての項を測定します。

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

$c12(a',b')$ ..。分析に最適な設定セットを使用する場合

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

$(a = 0°, a' = 45°, b = 22,5°, b' = 67,5°)$ 、不平等は単純化して

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

$p_{obs} ≥ 0.28$

どこ

p_{o b s}

$p_{obs}$ -被験者が測定設定で自分の側の光子を検出する確率（A）

a^{'} (45 °)

$a' (45°)$ サイド（B）の場合、測定設定でフォトンが検出されます

b^{'} (67, 5 °)

$b' (67,5°)$ ..。だからもし

p_{o b s}

$p_{obs}$ 統計的有意水準で0.28の値を超えると、CHの不等式に違反します。

単一光子ビジョンテストと同様の強制選択設計を使用して、被験者がいずれかのテストで光子を検出する可能性が低いことを制御できます。サイドBの測定値がその期間の望ましい結果を示している場合

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

$c_{12}(a',b')$ 、絡み合った光子は（図5aに示すように）左右に反転し続け、被験者の視野の片側にランダムに向けられます。さらに、絡み合っていない光子は、28％の確率で視野の反対側に供給されます。被験者は、光子がどちらかの側に存在するかどうかについて独立した判断を下します。もし

p_{o b s} = 0, 28

$p_{obs} = 0,28$ 、被験者は、コントロール（絡み合っていない）側を見るのと同じ頻度で、絡み合った光子のある側を見るでしょう。混乱した側をコントロールよりもかなり頻繁に見た場合、測定値はCHの不等式に違反します。このようなテストでは、「タイミング」と「検出」の抜け穴がほとんど考慮されないことに注意してください。しかし、それでもユニークで興味深い実験的研究になるでしょう。

5。結論

単一光子源を用いた実験により、人間はおそらく単一光子を検出できることが示されたので、物理学と心理学の両方で、幅広い興味深い新しい実験を提案することができます。この記事では、人間の視覚の下限に関する以前の研究をレビューし、重ね合わせと絡み合いの状態を含む、視覚システムを使用して量子力学をテストするための2つの可能な実験を示しました。これらおよび他の単一光子ビジョン実験の主な問題は、光子が光ファイバに送信され、別々のテストで検出される可能性が低いこと（おそらく5〜10％、絶対に効果的なソースを提供）、したがって、非常に大規模な一連のテストの要件です。

オブザーバーとしての人の存在が提案された実験をユニークで興味深いものにしているという事実にもかかわらず、これらの実験の結果に対するオブザーバーの意識の影響をテストすることは想定されていないことを強調します。むしろ、これらの実験は、視覚システムの独自の機能を使用して量子力学の予測をテストし、マクロリアリズムなどの代替案に対する実験上の制限を明らかにすることさえあります。

私たちの単一光子源が使用できる興味深い心理物理学的研究もいくつかあります。低照度が量子化されていると認識されるかどうかなど、最低の照明レベルでのタイムスタッキングの他の側面を調査できます。変形可能なミラーと空間光変調器を使用して、網膜上の低光子刺激のサイズを変えることにより、空間スタッキングを研究することができます。より多くの光子を持つ状態を生成できるより高度なソース[25]を使用して、正確に指定された数の光子の視覚感度関数を測定することもできます。

書誌

[1] Phan, N. M., Cheng, M. F., Bessarab, D. A., and Krivitsky, L. A., “Interaction of Fixed Number of Photons with Retinal Rod Cells,” Physical Review Letters 112, 213601 (may 2014). [2] Sim, N., Cheng, M. F., Bessarab, D. A., Jones, C. M., and Krivitsky, L. A., “Measurement of Photon Statistics with Live Photoreceptor Cells,” Physical Review Letters 109, 113601 (sep 2012).

[3] Tinsley, J. N., Molodtsov, M. I., Prevedel, R., Wartmann, D., Espigul´ e-Pons, J., Lauwers, M., and Vaziri, A., “Direct detection of a single photon by humans,” Nature Communications 7, 12172 (jul 2016).

[4] Holmes, R., Victora, M., Wang, R. F., and Kwiat, P. G., “Measuring temporal summation in visual detection with a single-photon source,” Vision Research 140, 33–43 (2017).

[5] Bouman, M. A., “History and Present Status of Quantum Theory in Vision,” in [Sensory Communication], 376–401, The MIT Press (sep 2012).

[6] Hecht, S., “ENERGY, QUANTA, AND VISION,” The Journal of General Physiology 25, 819–840 (jul 1942).

[7] Sakitt, B., “Counting every quantum,” The Journal of Physiology 223(1), 131–150 (1972).

[8] Rieke, F. and Baylor, D. A., “Single-photon detection by rod cells of the retina,” Reviews of Modern Physics 70(3), 1027–1036 (1998).

[9] Baylor, D. A., Nunn, B. J., and Schnapf, J. L., “The photocurrent, noise and spectral sensitivity of rods of the monkey Macaca fascicularis,” The Journal of Physiology 357, 575–607 (dec 1984).

[10] McKeever, J., Boca, A., Boozer, A. D., Miller, R., Buck, J. R., Kuzmich, A., and Kimble, H. J., “Deter-ministic Generation of Single Photons from One Atom Trapped in a Cavity,” Science 303(March), 1992 (2004).

[11] Kurtsiefer, C., Mayer, S., Zarda, P., and Weinfurter, H., “Stable solid-state source of single photons,” Physical Review Letters 85(2), 290–293 (2000).

[12] Beveratos, A., Brouri, R., Gacoin, T., Poizat, J.-P., and Grangier, P., “Nonclassical radiation from diamond nanocrystals,” Physical Review A 64, 061802 (nov 2001).

[13] Michler, P., Kiraz, A., Becher, C., Schoenfeld, W. V., Petroff, P. M., Zhang, L., Hu, E., and Imamoglu, A., “A quantum dot single-photon turnstile device,” Science 290, 2282–5 (dec 2000).

[14] Hong, C. K. and Mandel, L., “Experimental realization of a localized one-photon state,” Physical Review Letters 56(1), 58–60 (1986).

[15] Kwiat, P. G., Waks, E., White, A. G., Appelbaum, I., and Eberhard, P. H., “Ultra-bright source of polarization-entangled photons,” Physical Review A 60(2), R773® (1999).

[16] Holmes, R., Christensen, B. G., Street, W., Wang, R. F., and Kwiat, P. G., “Determining the Lower Limit of Human Vision Using a Single Photon Source,” in [Conference on Lasers and Electro-Optics 2012], QTu1E.8, Optical Society of America (2012).

[17] Holmes, R., Christensen, B. G., Wang, R. F., and Kwiat, P. G., “Testing the Limits of Human Vision with Single Photons,” in [Frontiers in Optics 2015], FTu5B.5, Optical Society of America (2015).

[18] Ghirardi, G., “Quantum superpositions and definite perceptions: envisaging new feasible experimental tests,” Physics Letters A 262, 1–14 (oct 1999).

[19] Thaheld, F. H., “Can we determine if the linear nature of quantum mechanics is violated by the perceptual process?,” BioSystems 71, 305–309 (oct 2003).

[20] Ghirardi, G. C., Rimini, A., and Weber, T., “Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems,”

Physical Review D 34, 470–491 (jul 1986).

[21] Leggett, A. J., “Testing the limits of quantum mechanics: motivation, state of play, prospects,” Journal of Physics: Condensed Matter 14(15), R415–R451 (2002).

[22] Christensen, B. G., McCusker, K. T., Altepeter, J. B., Calkins, B., Gerrits, T., Lita, A. E., Miller, A., Shalm, L. K., Zhang, Y., Nam, S. W., Brunner, N., Lim, C. C. W., Gisin, N., and Kwiat, P. G., “Detection-Loophole-Free Test of Quantum Nonlocality, and Applications,” Physical Review Letters 111, 130406 (sep 2013).

[23] Akselrod, G. M., Altepeter, J. B., Jeffrey, E. R., and Kwiat, P. G., “Phase-compensated ultra-bright source of entangled photons: erratum,” Optics Express 13, 5260–5261 (apr 2005).

[24] Clauser, J. F. and Horne, M. A., “Experimental consequences of objective local theories,” Physical Review D 10, 526–535 (jul 1974).

[25] McCusker, K. T. and Kwiat, P. G., “Efficient Optical Quantum State Engineering,” Physical Review Letters 103, 163602 (oct 2009).

翻訳者の追加

人気の科学のトピックについて、いくつかのオンライン出版では、出版物は、物品や進行中の研究（の話題に登場1、2）。それらは、計画された研究に関連する追加の考慮事項を提供します。

1からの翻訳で引用

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第2条は、リソースの1つでほぼ完全に翻訳されており、これらの研究のイデオロギーのインスピレーションの名前を明らかにしています。

彼女からの引用

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. 2015 , , , . , . 2017 « »: , , ( ) . BIG Bell Test 100 000 - 2016 . - .

翻訳者のコメント

コメントには、明示的または暗黙的に、提示されたトピックに関する著者の意見が含まれる場合があります。

量子光状態による人間の視界の限界のテスト：過去、現在、未来の実験