人眼可以帮助测试量子力学 实验结果或会颠覆对量子世界的理解

Paul Kwiat要求他的志愿者坐在一个黑暗的小房间里。当眼睛适应缺乏光线时，每个志愿者将他或她的头部托着 —— 就像你在验光师那样 —— 并且用一只眼睛凝视着昏暗的红十字架。在十字架的两侧是一根光纤，它可以在志愿者眼睛的左边或右边，传输光的单光子。

根据于6月21日提交给预印本服务器arXiv的一篇论文，即使在验证人眼检测单个光子的能力时，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的实验性量子物理学家Kwiat和他的同事们也将目标放在了更高处：利用人类视觉探索量子力学的基础。

不是简单地通过左边或右边光纤向志愿者的眼睛发送单光子，而是将光子发送到量子叠加中，有效地同时穿过两根光纤。人类会看到任何差异吗?根据标准量子力学，他们不会 —— 但从未进行过这样的测试。如果Kwiat的团队得出决定性的结论，那就会质疑我们目前对量子世界的理解，打开了另一种理论的大门，这些理论主张对自然存在截然不同的观点，不论观察或观察者如何，都存在现实，这与今天如何解释量子力学格格不入。 “可能有证据表明某些事情正在超越标准的量子力学。”Kwiat的前学生Rebecca Holmes说道，他现在是洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究员。

确定人类是否可以直接探测单个光子的努力具有传奇的历史。 1941年，哥伦比亚大学的研究人员在《科学》杂志上报道，人眼可以看到只有五个光子落在视网膜上的闪光。三十多年后，加州大学伯克利分校的生物物理学家Barbara Sakitt进行了实验，表明眼睛可以看到一个光子。但这些实验还远未定论。 Holmes 说，“所有这些实验的问题在于，他们只是试图使用“经典的”光源，而这些“光源”并不可靠地发射单个光子。也就是说，不能保证每个早期试验只涉及一个光子。”

然后，在2012年，有确凿的证据表明，单个光感受器或杆状细胞可以检测到单个光子 —— 至少在青蛙的眼睛中。新加坡科学，技术和研究机构的Leonid Krivitsky及其同事从成年青蛙的眼睛中提取了杆状细胞，并进行了实验室测试，显示细胞对单光子的反应。现在，“毫无疑问，单个光感受器会响应单光子。”Kwiat说。这与那些活体青蛙 —— 或者就此而言，人类 —— 的那些杆状细胞的说法不同。因此，Kwiat和伊利诺伊州的同事，物理学家Anthony Leggett等人开始使用单光子源设想人类视觉测试。不久，Kwiat的团队，现在包括Holmes，实际上正在进行实验。但是“我们受到了打击。” Holmes说。

2016年，由维也纳大学的生物物理学家Alipasha Vaziri领导的一个小组报告说，使用单光子源证明“人类可以检测到他们眼睛上的单光子事件，概率明显高于偶然。”

Kwiat的团队对结果持怀疑态度，希望通过对更多主题进行大量试验来改善统计数据。他们关注的主要问题是作为光子探测器的眼睛效率低。任何入射光子都必须通过角膜，即眼睛的透明外层，它反射一些光线。然后光子进入一个镜片，与角膜一起将光线聚焦在眼睛后部的视网膜上。但在镜片和视网膜之间是一种透明的凝胶状物质，可以使眼睛看到它的形状 —— 这也可以吸收或散射光子。实际上，只有不到10%的光子撞击角膜，使其进入视网膜的视杆细胞，从而导致神经信号进入大脑，引起感知。因此，获得具有统计意义的结果是一项艰巨的挑战。 Kwiat说，“我们希望在未来六个月内得到明确的答案。”

这并没有阻止他们设计新的实验。在标准设置中，半镀银镜子将光子引导到左边或右边光纤。然后光子落在志愿者视网膜的一侧或另一侧，受试者必须通过键盘指示哪一个。但是，使用量子光学技术将光子置于穿过两根光纤，并叠加到眼睛两侧是微不足道的。接下来发生的事情取决于人们认为光子发生了什么。

物理学家使用称为波函数的数学抽象来描述光子的量子态。在叠加的光子撞击眼睛之前，其波函数展开，并且光子具有在左侧或右侧看到的相等概率。光子与视觉系统的相互作用是一种被认为是“坍缩”波函数的测量，光子随机地在一侧或另一侧结束，就像一个抛出的硬币出现 “正面”或“反面”。与经典状态下的光子相比，人们在感知叠加光子时会看到左右光子计数的差异? “如果你相信量子力学，那么应该没有区别。”Kwiat说。但是，如果他们的实验发现了无可辩驳的，统计上显著的差异，它就会发出一些与量子物理有关的信号。 “那将是一个很大的问题。这将是一个非常惊天动地的结果。”他补充道。

这样的结果将指向可能解决量子力学的核心问题：所谓的测量问题。如果确实波函数确实坍缩，理论中没有任何内容可以指定测量如何使波函数坍缩。测量仪器应该有多大?在眼睛的情况下，个别杆细胞会吗?还是需要整个视网膜?角膜怎么样?有意识的观察者是否需要参与其中?

一些替代性理论通过独立于观察者和测量设备调用坍缩来解决这个潜在问题。例如，考虑一下“GRW”坍缩模型(以理论家Giancarlo Ghirardi，Alberto Rimini和Tullio Weber命名)。 GRW模型及其多种变体假定波函数自发坍缩;物体叠加越大，其坍缩越快。这样做的一个结果是单个粒子可能长时间保持叠加，而宏观物体则不能。因此，众人皆知的薛定谔的猫在GRW中永远不会处于死亡和活着的叠加状态。相反，它总是死亡或活着，我们只在看到时才知道它的状态。据说这些理论是“与观察者无关”的现实模型

如果像GRW这样的坍缩理论是对自然的正确描述，它会颠覆近一个世纪的思想，试图认为观察和测量是实现现实的核心。至关重要的是，当叠加的光子落在眼睛上时，GRW会预测眼睛左侧和右侧的光子数量与标准量子力学相比略有不同。这是因为在光子处理的各个阶段中不同大小的系统 —— 例如两个杆状细胞中的两个光敏蛋白质与视网膜中的两个视杆细胞和相关神经组件 —— 在与光子相互作用后会表现出不同的自发坍缩率。虽然Kwiat和Holmes都强调他们不太可能看到他们的实验有所不同，但他们承认任何观察到的偏差都会暗示类似GRW的理论。

澳大利亚国立大学理论量子物理学家迈克尔·霍尔不同意这项研究，他同意GRW预测光子数量的偏差非常小，但他表示这种偏差太小而无法通过拟议的实验检测到。然而，他认为光子计数中的任何偏差都值得关注。 “这将是非常严重的。我发现这种不可能是可能的。”他说，“那将是非常有趣的。”

Kwiat还对量子态与经典状态的主观感知存在疑惑。 “当人直接观察量子事件时，这个人是否有任何感性差异?”他问道，“答案是'可能不是'，但我们真的不知道。你不可能知道答案，除非你有一个完整的物理模型，直到人类视觉系统发生的量子力学水平 —— 我们没有 —— 或你做实验。”

2016年Vaziri团队成员Robert Prevedel，现任德国欧洲分子生物学实验室，更感兴趣的是在事件链中发生坍缩的确切位置。当光子撞击杆状细胞时，它是否会在开始时发生?或者在中间，产生和传递神经信号?或者它是否最终发生，当信号在有意识的感知中记录?他建议在提取的视网膜上发射叠加的光子，并从不同级别的视觉处理(例如，从视杆细胞或视网膜的不同类型的照片细胞中)进行记录，以查看叠加持续多长时间。

Prevedel认为，首先用杆吸收会破坏光子的叠加。但是，“如果我们能够在视网膜中不同细胞层内的任何后续水平或任何下游神经元回路中看到量子[叠加]，那将是一个真正的突破。”他说，“这将是一个惊人的发现。”

当然，不容忽视的是：人类意识。有意识的感知能否最终导致量子态的坍缩，使光子出现在一侧或另一侧? Prevedel怀疑意识与测量和坍缩有某些关系。

“意识......在我们的大脑中产生，即数百万甚至数十亿的细胞和神经元的综合效应。 如果在量子叠加的检测中存在意识的作用，它将在整个大脑的水平上涉及一个真正的宏观对象，即构成生物细胞的巨大的原子和电子集合。”Prevedel说，“据我们所知，这种宏观物体无法维持量子[叠加]。”