人类视觉极限的突破：首次证实人眼可直接探测单个光子

作者与发表信息
本研究由Jonathan N. Tinsley（维也纳分子病理学研究所、利物浦大学）、Maxim I. Molodtsov（维也纳大学）等8位作者共同完成，于2016年7月19日发表于*Nature Communications*（DOI: 10.1038/ncomms12172）。

学术背景
科学领域：本研究属于视觉神经科学与量子光学的交叉领域，聚焦于人类视觉系统的绝对灵敏度极限。
研究动机：自20世纪40年代Hecht等人的经典实验以来，科学界已知视网膜视杆细胞（rod cells）可响应单个光子，但人类能否行为学上感知到单个光子仍是一个未解之谜。这一问题涉及进化压力是否推动视觉系统达到量子极限，并为探究视网膜信号传递的噪声机制提供新途径。
核心挑战：传统实验使用泊松光（Poissonian light）源，其光子数随机性导致无法排除多光子事件的干扰；此外，低实验统计量及非理想心理物理学方法限制了结论的可靠性。

研究流程与方法
1. 单光子光源设计与验证
- 技术革新：团队开发了基于自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC）的量子光源，通过非线性晶体产生关联光子对（信号光子与闲置光子）。
- 噪声抑制：采用电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）作为闲置光子探测器，通过多像素结构识别并排除多光子事件，使双光子污染率降至0.02%（传统单光子雪崩二极管SPAD为0.11%）。
- 参数优化：通过蒙特卡洛模拟确定最佳泵浦功率（平均每脉冲0.048对光子），平衡信噪比与实验效率。

1. 心理物理学实验设计

   • 双盲强制选择范式（2AFC）：受试者在暗适应40分钟后，接受1ms光脉冲（500nm，与视杆细胞峰值敏感度匹配）或空白刺激，需判断光子出现的时段并给出置信度评分（R1-R3）。
     
   • 反馈机制：每次试验后提供正确性反馈以维持受试者警觉性，同时通过大量空白试验（95%无光子）排除主观偏差。
     
   • 数据量：共完成30,767次试验，其中2,420次为经后选择（post-selection）的单光子事件。
     

2. 数据分析模型

   • 信号检测理论：构建理想探测器模型，量化人类表现与理论极限的差距，结合生理参数（如视网膜量子效率约6%）验证结果合理性。
     
   • 时间依赖性分析：发现前一个光子吸收会暂时（约3.5秒）增强后续光子探测概率，提出“增益调制”假说，并通过数学建模拟合其时间演化曲线（衰减时间约数秒）。
     

主要结果
1. 单光子感知的直接证据
- 行为学数据：受试者在单光子事件中的正确率为51.6%±1.0%（p=0.0545），显著高于随机猜测（50%）；高置信度（R3）响应正确率进一步提升至60%±3%（p=0.001）。
- 生理一致性：人类表现未超越理想探测器预测上限，支持结果符合视觉系统噪声与效率的生理限制。

1. 光子诱导的增益调制效应
   
   • 时间特性：若10秒内有前导光子，探测概率提升至56%±3%（p=0.02）；超过10秒后恢复至基线（51.0%±1.1%）。
     
   • 机制假说：光子吸收引发视信号通路增益的瞬时增强，类似“启动效应”（priming effect），但不同于已知的视网膜快速整合机制（毫秒级）。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次实证：直接证明人类行为学上可感知单个光子，填补了70年来关于视觉绝对阈值的争议。
- 理论突破：提出“增益调制”模型，为理解极端弱光下视觉系统的动态适应机制提供新框架。

1. 应用潜力
   
   • 神经技术：量子光源可降低输入噪声，助力视网膜内源性噪声的精确测量。
     
   • 量子生物学：为探索量子叠加态光子的生理效应（如非局域性测试）奠定方法学基础。
     

研究亮点
1. 技术独创性：结合SPDC量子光源与EMCCD多像素检测，实现亚泊松光子统计（g^(2)(0)≈0），突破传统光源限制。
2. 跨学科融合：将量子光学技术应用于神经科学，开创“量子心理物理学”新范式。
3. 发现反常时间尺度：秒级增益调制效应提示可能存在未知的慢速视网膜或皮层机制。

其他价值
- 方法论贡献：开发的实验协议（如2AFC结合置信度评级）为未来超灵敏感知研究提供模板。
- 哲学启示：研究结果挑战了经典信号检测理论在极端弱光条件下的适用性，推动对生物系统中噪声-信号关系的重新思考。

（注：术语翻译示例：泊松光-Poissonian light；自发参量下转换-Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC；电子倍增电荷耦合器件-Electron Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD）