Леонид Кривицкий и его коллеги по Институту хранения информации государственного сингапурского Агентства научно-технических исследований (A*STAR) обнаружили, что глаза живых существ ещё сложнее и эффективнее, чем мы с вами думали.

Итак, фоторецепторные клетки, разбросанные по сетчатке глаза, как выяснилось, чувствительны даже к статистическим особенностям входящего света.

Рис. 1. Cхема экспериментальной установки. (Здесь и ниже иллюстрации L. Krivitsky et al.).

О чём речь? Тускленькая 40-ваттная лампа накаливания даёт более 10 квинтиллионов (10¹⁹) фотонов видимого света в секунду. Г-ну Кривицкому с соавторами удалось показать, что

палочки сетчатки способны отличать импульсы, излучаемые лазером и лампой накаливания, только на основе различного распределения испускаемых ими фотонов во времени.

Нить накаливания генерирует фотоны группами, лазеры же, напротив, «производят» фотоны независимо друг от друга.

«То, что такие клетки могут оценивать фотонную статистику, даёт надежду на оценку квантовых особенностей света с использованием биодетекторов», — уверен Леонид Кривицкий.

В качестве объекта исследований использовалась палочка глаза лягушки. Её «обработали» лазером, излучающим волны зеленой части видимого диапазона. Затем на пути лазерного луча поместили вращающийся диск из матового стекла с отверстием прямо напротив лазера. Однако из-за вращения пучок лазерного излучения разбивался на крупные пакеты. Эти псевдотермальные импульсы имитировали лампу накаливания. Излучения от имитатора лампы и лазера отличались только статистически, но палочка реагировала на них по-разному.

Молекулы родопсина в клетке абсорбировали входящие фотоны, создавая при этом ток ионов. Затем учёные усилили и измерили этот ток, последовательно увеличивая количество фотонов в каждом световом импульсе. Так вот, в ответ на лазерное изучение, фотоны которого «шли» по отдельности, реакция палочки была куда острее, чем на псевдотермальные импульсы, имитирующие лампу накаливания, хотя в среднем количество фотонов в единицу времени (и в диапазоне излучения) в обоих случаях было одинаковым.

Вообще… это очень странно! В природе с источником, излучающим фотоны по отдельности (лазер), лягушка вряд ли сталкивалась, а потому не до конца ясно, зачем её глазу бóльшая чувствительность именно к такому свету.

Рис. 2. Реакция палочки на свет резко изменялась в зависимости от статистики распределения излучения фотонов во времени.

Однако потенциально качество очень полезно. Хотя исследователи и говорят, что от таких более-менее классических источников света в опытах надо перейти в квантовым, в импульсах которых будет фиксированное количество фотонов,

уже сейчас ясно, что на базе родопсиновых фоторецепторов можно создавать детекторы квантовых состояний излучения — вещь весьма полезную для квантовой оптоэлектроники.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.