實驗證實我們可以看到單個光子提供了新的方法來探索我們對量子現實的理解
保羅·科瓦特(PaulKwiat)讓他的志願者們坐在一間又小又黑的房間裡。當他們的眼睛適應光線不足時，每個志願者都會把頭靠在下巴休息處-就像你在驗光師那裡一樣-然後用一隻眼睛盯著昏暗的紅十字會。十字架的兩邊都是一根光纖，定位於志願者眼睛的左右兩側，用來傳輸光的單光子。
6月21日，伊利諾伊大學香檳分校的實驗量子物理學家kwiat和他的同事們在驗證人眼探測單個光子的能力的同時，也把目光放得更高：根據他們6月21日提交給預印服務器arxiv的一篇論文，他們將目光投向更高的地方：用人類的視覺探索量子力學的基礎。
與其簡單地通過左右光纖向志願者的眼睛發送單個光子，不如將光子以量子疊加的方式同時有效地穿過這兩種纖維。人類會看到什麼不同嗎？根據標準量子力學，他們不會-但這樣的測試從來沒有做過。如果Kwiat的團隊得出了結論性的結果，就會質疑我們目前對量子世界的理解，從而打開了另一種理論的大門，這些理論主張一種截然不同的自然觀，即無論觀察或觀察如何，都存在著現實，這與今天量子力學的解釋格格不入。Kwiat的前學生麗貝卡·霍姆斯說：“這可能是發生了超出標準量子力學的事情的證據。”霍姆斯現在是洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LOS Alamos National Lab)的一名研究員。霍姆斯曾是Kwiat的學生，曾設計過這種設備。
人類是否能直接探測到單個光子的努力有著悠久的歷史。1941年，哥倫比亞大學的研究人員在“科學”雜誌上發表了一篇論文，人類的眼睛可以看到只有5顆光子落在視網膜上的閃光。三十多年後，當時在加州大學伯克利分校的生物物理學家芭芭拉·薩基特(BarbaraSakitt)做了一些實驗，表明眼睛可以看到單個光子。但這些實驗遠非決定性的。霍姆斯說：“所有這些實驗的問題在於，他們只是試圖使用‘經典’光源，而這些光源並不能可靠地發射單個光子。”也就是說，不能保證這些早期的試驗都只涉及一個光子。
2012年，有確鑿證據表明，單個光感受器，或稱桿狀細胞，能夠探測到單個光子-至少在青蛙的眼中是如此。新加坡科學、技術和研究機構的Leonid Krivitsky和他的同事從成年青蛙的眼睛中提取了桿狀細胞，並進行了實驗室測試，結果顯示這些細胞對單個光子有反應。現在，“毫無疑問，單個光感受器對單個光子有反應，”Kwiat說。這並不是說，這些桿狀細胞在活青蛙中也是這樣做的-或者說，在人類身上也是如此。因此，Kwiat和伊利諾伊州的同事物理學家安東尼·勒格特(Anthony Leggett)等人開始設想使用單光子光源進行人類視覺測試。不久，Kwiat的小組，現在包括福爾摩斯，實際上正在進行實驗。但是“我們在這方面被打敗了，”福爾摩斯說。
2016年，由當時在維也納大學的生物物理學家Alipasha Vaziri領導的一個研究小組報告說，使用單光子源顯示“人類可以探測到他們眼睛上的單光子事件，其概率大大高於機會”。
Kwiat的團隊對研究結果持懷疑態度，他們希望通過對更多的實驗對象進行更多的試驗來改進統計數據。他們最關心的是眼睛作為光子探測器的低效率。任何入射光子都必須經過角膜，即眼睛透明的外層，它反射了一些光。然後，光子進入一個鏡頭，與角膜一起，將光線聚焦在眼睛後部的視網膜上。但是在鏡頭和視網膜之間是一種清晰的，凝膠狀的物質，使眼睛的形狀-這也可以吸收或散射光子。實際上，只有不到10%的光子打到了視網膜的桿狀細胞上，從而導致神經信號進入大腦，引起感知。因此，要獲得統計上意義重大的結果，而不是偶然的結果，是一項艱鉅的挑戰。“我們希望在未來六個月有一個明確的答案，”Kwiat說。
但這並沒有阻止他們想出新的實驗。在標準設置中，半鍍銀的鏡子將光子引導到左邊或右邊的纖維。然後，光子落在志願者視網膜的一側或另一側，受試者必須用鍵盤指明是哪一側。但是，將光子同時穿過兩根纖維，同時到達眼睛的兩邊，是很瑣碎的事情(使用量子光學)。接下來會發生什麼取決於人們相信光子會發生什麼。
物理學家用一種叫做波函數的數學抽象來描述光子的量子態。在疊加的光子擊中眼睛之前，它的波函數被展開，而光子在左邊或右邊被看見的概率相等。光子與視覺系統的相互作用就像一種被認為會“破壞”波函數的測量，光子隨機地落在一邊或另一邊，就像拋出的硬幣出現“尾巴”或“頭部”一樣。與經典狀態下的光子相比，人類在感知疊加光子時會看到左右光子計數的差異嗎？“如果你相信量子力學，那麼應該沒有區別，”Kwiat說。但是，如果他們的實驗發現了一個無可辯駁的、統計上有意義的差異，那就說明量子物理學有問題。“那將是一件大事。這將是一個非常令人震驚的結果，“他補充說。
這樣的結果將指向量子力學核心問題的可能解決：所謂的測量問題。如果波函數真的崩潰，理論上沒有任何東西可以說明測量是如何使波函數崩潰的。測量儀器應該有多大？就眼睛而言，單個桿狀細胞能起作用嗎？還是需要整個視網膜？那角膜呢？一個有意識的觀察者可能需要參與其中嗎？
一些替代理論通過調用獨立於觀察者和測量設備的崩潰來解決這個潛在的問題。例如，考慮“GRW”崩潰模型(以理論家GiancarloGhirardi、AlbertoRimini和TullioWeber命名)。GRW模型和它的許多變體假定波函數是自發崩潰的；物體在疊加中越大，崩潰的速度就越快。這樣做的後果之一是單個粒子可以長期處於疊加狀態，而宏觀物體則不能。因此，臭名昭著的薛定諤的貓，在GRW，永遠不能在一個死亡和活著的疊加。相反，它要麼是死的，要麼是活的，只有當我們觀察它的時候，我們才發現它的狀態。這些理論被認為是“獨立於觀察者”的現實模型。
如果像GRW這樣的崩潰理論是對自然的正確描述，它將顛覆近一個世紀以來試圖論證觀察和測量是製造現實的核心的思想。至關重要的是，當疊加的光子落在眼睛上時，GRW會預測眼睛左右兩側的光子計數與標準量子力學略有不同。這是因為在光子處理的不同階段，不同大小的系統-例如兩個桿狀細胞中的兩個光敏蛋白與視網膜中兩個桿狀細胞和相關神經的組合-在與光子相互作用後，會表現出不同的自發崩塌率。儘管克維特和霍姆斯都強調，他們在實驗中不太可能看到差異，但他們承認，任何觀察到的偏差都會暗示出類似於格魯的理論。
澳大利亞國立大學理論量子物理學家邁克爾·霍爾(Michael Hall)並不參與這項研究，他同意GRW預測光子計數會有很小的偏差，但他表示，這種偏差太小，不可能被擬議中的實驗檢測到。儘管如此，他認為光子計數中的任何畸變都值得注意。“這將是相當嚴重的。我認為這不太可能，但有可能，“他說。“那將是令人驚訝的有趣。”
Kwiat還想知道量子態相對於經典態的主觀感知。他問道：“當一個人直接觀察到一個量子事件時，他的知覺有什麼不同嗎？”“答案是‘可能不會’，但我們真的不知道。你不可能知道答案，除非你有一個完整的物理模型，直到人類視覺系統中正在發生事情的量子力學水平-這是我們所沒有的。”
羅伯特·普雷韋德爾(Robert Prevedel)是瓦齊裡2016年團隊的一名成員，目前在德國的歐洲分子生物學實驗室工作。他更感興趣的是找出事件鏈中實際發生崩潰的確切位置。它是否發生在開始時，當光子擊中一個棒細胞？或者在中間，神經信號的產生和傳遞？或者它發生在最後，當信號登記在有意識的知覺？他建議在提取的視網膜上發射疊加光子，並從不同水平的視覺處理(例如，來自視杆細胞或構成視網膜的不同類型的光細胞)記錄，以觀察疊加的持續時間。
普雷韋德爾認為，首先被一根棒子吸收應該會破壞光子的疊加。但他說：“如果我們能在視網膜不同細胞層內的任何後續水平上看到量子(疊加)，甚至任何下游的神經元迴路，這將是一個真正的突破。”“這將是一個驚人的發現。”
當然，房間裡有一隻大象：人類的意識。有意識的感知最終會導致量子態的崩潰，使光子出現或在另一邊嗎？無論如何普雷韋德爾懷疑意識與測量和崩潰有關係。
意識…產生於我們的大腦，是數百萬甚至數十億的細胞和神經元共同作用的結果。普雷韋德爾說：“如果意識在探測量子疊加中起作用，它將涉及整個大腦水平上的一個真正宏觀的物體，即構成生物細胞的原子和電子的巨大集合。”“據我們所知，這種宏觀物體不可能維持量子疊加狀態。”
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