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1.简介
量子光学专家长期以来一直对人类视觉系统感兴趣，该系统可能对单光子敏感。早期的实验受到经典光源的不连贯性的限制，但是真正的单光子光源和可调谐光子统计的时代开辟了新的研究领域，包括测量暮光眼感光棒的量子效率（约33％）[1]，以及测量各种光源的光子统计。其中杆用作传感器[2]。最近的一项实验提供了最佳的证据，即视觉系统可以检测到一个光子[3]，而另一个实验研究了视觉系统中多个光子的时间求和[4]。单光子视觉研究的这些进展为利用视觉系统研究量子效应（包括叠加和纠缠）提供了独特的机会。本文提供了对单光子视觉和当前功能的先前研究的简要概述，并提出了两个实验来研究叠加状态的感知以及在贝尔测试中使用人类观察者作为检测器。
2.
在二十世纪初出现光子作为光子的概念后不久，很明显，单个光子的统计数据可能对确定人类视力的下限很重要[5]。最早，最著名的下阈值实验之一是由Hecht，Schleer和Pirenne于1942年进行的[6]。在他们的研究中，受试者观察到非常暗的闪光，平均光子数为50至400。每次闪光后，询问受试者（三位研究的共同作者中的每位）是否可见？耀斑中的平均光子数量有所不同，并确定了受试者在每个级别上检测到耀斑的频率。假设每次测试中视觉系统检测到的光子数是服从泊松分布的随机变量，Hecht等人认为感知需要一定数量的光子阈值n。计算得出视阈值在5到7个光子之间，具体取决于对象（图1）。
数字： 1.来自Hecht等的数据。 [6]。拟合泊松模型以测量耀斑中平均光子数与报告对象可见的频率之间的关系，可以得出视觉阈值n的估计值。
该实验是第一个提供棒对单个光子响应的证据的实验之一：闪光降落在包含约500个棒的区域，因此，如果仅检测到5-7个光子，则任何单个棒都不能检测到多个。但是，此实验有几个问题，可能导致对这些值的高估。最重要的是要求简单地报告是否注意到爆发，这可能会导致阈值与真实阈值相比被高估，这是由于受试者的假阳性反应所致。
此外，在后来的实验中，受试者被指示以从0到6的等级对微弱的闪光灯进行评级，他们发现仅一个光子的视觉阈值可能较低（对于某些受试者）[7]。单个杆状细胞的体外测量结果还表明，这些细胞响应于暗光突发产生离散的电信号，其信号水平极低，似乎对应于单个光子[8]（见图2）。
但是，所有这些实验都受到无法产生单个光子的经典光源辐射的不相干性的限制。单光子源的发展为视觉研究创造了新的机会，这将在第3节中进行讨论。
. 2. () . , , . () t = 0. ~1, ~500. () , . 1 2 [9].
3.
已经为量子光学和量子信息研究开发了单光子源，包括基于单原子的源[10]，金刚石中的氮取代空位[11，12]，量子点[13]以及频率降低的自发参量散射（自发）。参数下变频-SPDC）[14]。 SPDC光源在许多方面都是单光子视觉研究的理想选择，因为它们非常明亮，可以发出宽波长范围的光（棒在500 nm附近最为敏感），并且效率很高，主要受光学损耗的限制。经过一些修改，它们还可以轻松产生极化纠缠的光子对，以及其他自由度[15]。
在图。图3显示了在我们的实验室中开发并针对人类视觉研究进行了优化的SPDC蒸汽源的示例[16,17]。该光源的预示效率（如果检测到信使光子，则将光子发送给观察者的概率）为38.5％。它会产生接近棒光谱灵敏度峰值的505 nm波长的单光子。
. 3. . (VA). 562 505 (BBO); 562- (SPAD) ( , ) FPGA. 505- 25- , (PBS) (FPC); (PC), PBS. . 505- (HWP) PBS, (. 4). 505 , .
为了研究人类的视觉，还需要一个观测站，借助该观测站将光子传递到受试者的眼睛（图4）。我们的工作站可让您将光子传递到视网膜中央凹左右两侧约±16度的角度，传递到视网膜的一个或两个空间上分离的点-中央窝。与Hecht等人相比，此功能可改善实验设计：与其问问受试者是否看到了光子，还不如问他们是否看到了光子，而是可以随机地（如图3所示使用PC和PBS）向左或向右发送光子。指出并问他在哪里。这消除了当要求受试者对刺激的存在或不存在进行评分时可能发生的人为阈值效应。如果受试者选择“左”或“右”的准确度明显大于50％，那么我们可以得出结论，他们看到了刺激。这种方法的缺点是，由于眼睛的相对较高的光学损失（估计为90-97％），通常需要进行大量的长期测试才能证明这种效果，因为在大多数情况下，对象实际上并未检测到光子。
我们使用此源来研究视觉系统如何在短时间窗口内汇总光子[4]，其他人则使用类似的SPDC源和不同的实验设置（用较早和较晚的光子传输时间代替左右）来显示测试对象对单个光子的准确度可达到50％以上。随后的大量试验和改进的试验设计（包括不存在光子的对照试验）的大量研究对于确认该结果至关重要。但是，我们认为人类确实能够检测单个光子。一个令人兴奋的机会是现在可以使用类似的单光子源通过视觉系统研究量子效应。建议的两个实验在第4节中介绍。
图4.对象的视野和观测站的俯视示意图。固定十字（未按比例显示在视野中）由十字准线掩膜后面的微弱700nm LED组成（棒对远红光波长不敏感）。当对象固定在下巴托上时，左右光线与对象的右眼对齐。
4.建议的实验：叠加和纠缠
如果一个人可以检测到单个光子，那么我们面前就会出现各种各样激动人心的工作和实验。通过研究对象如何直接与量子现象相互作用和测量量子现象，我们可以测试标准量子力学的预测，甚至使人类观察者在局部现实主义测试中发挥直接作用。
4.1
. 5. (a) /, . (HWP) 0°, 45°, , . . (b) . HWP 22.5°, (V) (D), V. (PBS) , . , , () , .
我们可以执行的一个相对简单的测试是确定人类是否感觉到处于叠加状态的光子与经典混合状态之间的任何差异。多年来，视觉系统中的叠加实验引起了人们的极大兴趣，并且已经提出了几种方法[18,19]。要执行此实验，您可以使用如图所示的设置。如图3所示，但是除了其中在视网膜的左侧或右侧存在一个光子的测试之外，还可以使用以左侧和右侧的叠置随机表示的光子来执行测试。通过旋转图2所示的半波片很容易实现这一点。 5到22.5°位置，获得状态
像在单光子视觉测试中一样，要求受试者报告在每个测试中从哪一侧可以看到闪光灯。根据标准的量子力学，在相同的叠加和相同的经典混合之间，感知上应该没有差异。这两个条件之间的左右响应之比的任何统计上的显着差异（在仔细考虑了硬件的任何偏差之后）都将表明意想不到的效果，并且可能会对量子力学的其他解释产生影响（例如，宏观现实[20,21]）。
4.2与人类观察者的贝尔测试
数字：6.贝尔测试的简化方案，其中一个观察员替换了一个检测器。当A侧的一个检测器指示光子已经用, , . - : (PC) , (HWP) . PC , HWP ( ). (LC) .
我们可以做的另一个令人兴奋的实验是使用人类观察者作为探测器来测试局部真实感。第一步是用人类观察者代替一个探测器，用我们的高效光子计数器代替另一个探测器（见图6）。通过同时泵浦两个正交的非线性晶体，可以获得偏振纠缠的光子对[15、22、23]。然后可以使用众所周知的CH（Clauser-Horne）不等式[24]，该不等式将关节 和单 设置概率 在偏振分析仪A和B上：
可以证明，任何支持局部现实主义的理论都必须服从这种不平等。在最初的实验中，我们使用单光子探测器来测量除... 使用最佳设置进行分析时，不等式简化为
哪里 -使用测量设置，被摄对象在其侧面（A）上检测到光子的概率 当在（B）面时，通过测量设置检测到光子 ... 因此，如果超过具有统计显着性水平的0.28，则违反了CH不等式。
类似于单光子视觉测试的强制选择设计可用于控制受试者在任何测试中检测到光子的可能性低。如果B侧的测量结果表明该项的期望结果纠缠的光子继续向左/向右翻转（如图5a所示），并随机指向对象视野的一侧。另外，非纠缠光子以28％的概率被馈送到视野的另一侧。受试者对两侧是否存在光子做出独立判断。如果，受检者会看到纠缠光子的那一面，就像他看到对照（非纠缠）那一面一样。如果他们比对照组更经常看到缠结的一面，则该测量违反了CH不等式。注意，这样的测试几乎不会考虑“定时”和“检测”漏洞。但是，这仍将是一项独特而有趣的实验研究。
5.结论
现在，利用单光子源进行的实验表明，人类可能可以检测到单光子，因此，无论是物理学还是心理学领域，都可以提出一系列有趣的新实验。本文回顾了先前关于人类视觉下限的研究，并提出了两个可能的实验来测试使用视觉系统的量子力学，包括叠加和纠缠状态。这些和其他单光子视觉实验的主要问题是光子被传输到感光体并在单独的测试中被检测的可能性很低（可能是5-10％，提供了绝对有效的来源），因此需要进行大量测试。
尽管一个人作为观察者在场使所提出的实验变得独特而有趣，但我们强调指出，它们不应该检验观察者意识对这些实验结果的影响。相反，这些实验利用视觉系统的独特功能来测试量子力学的预测，甚至可以阐明宏观命题等替代性命题的实验局限性。
我们的单个光子源也可以使用许多有趣的心理物理研究。可以研究最低光水平下时间堆叠的其他方面，例如是否认为暗光被量化。使用可变形反射镜和空间光调制器，可以通过改变视网膜上低光子刺激的大小来研究空间堆叠。可以生成具有更多光子数量的状态的更高级的光源[25]也可以用于测量精确指定数量的光子的视觉灵敏度函数。
参考书目
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翻译作者的补充
在与科普主题的一些在线出版物，出版物出现在文章和正在进行的研究（专题1，2）。他们提供了与计划的研究有关的其他注意事项。
用翻译引述1
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第2条几乎完全翻译成其中一种资源，并揭示了这些研究的思想启发者的名字。
引用她的话
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翻译作者评论
评论可能包含明示或暗含的作者对提出的主题的意见。
- 使用眼睛作为量子效应检测器的量子光学其他研究综述。
- 宏观现实主义的标准是解释和测试。
- 主观状态在物理描述中的作用。