В обыденном мире, который мы воспринимаем, объекты ведут себя предсказуемо, что объясняется классической физикой. Один из важных аспектов классической физики заключается в том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Даже информация подчиняется этому правилу. Однако в 1930-х годах учёные обнаружили, что очень маленькие частицы подчиняются совсем другим правилам.
Одним из наиболее удивительных свойств этих частиц является квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».
Квантовая запутанность
В квантовой запутанности две частицы могут стать запутанными, то есть их свойства коррелируют друг с другом, и измерение этих свойств всегда даст противоположные результаты (например, если одна ориентирована вверх, другая должна быть ориентирована вниз). Странность заключается в том, что вы всё равно получаете коррелированные измерения мгновенно, даже если эти частицы находятся очень далеко друг от друга.
Если информация не может передаваться быстрее скорости света, то не должно быть способа, чтобы одна частица могла мгновенно узнать состояние другой. Это «жуткое» квантовое свойство называется «нелокальностью» — проявлением эффектов, которые не должны быть возможны на больших расстояниях в классической механике.
До недавнего времени считалось, что только запутанные частицы могут проявлять такую нелокальность. Но новое исследование, опубликованное в Science Advances, использовало неравенство Белла, чтобы проверить, могут ли нелокальные квантовые корреляции возникать из других квантовых особенностей, не связанных с запутанностью.
Эксперимент
В эксперименте использовались фотоны, генерируемые лазерным светом, попадающим на определённый тип кристалла таким образом, что невозможно определить их источник. Установка обеспечивает невозможность запутывания фотонов до их обнаружения двумя отдельными детекторами. Исследователи использовали неравенство Белла, чтобы определить, привело ли эксперимент к нарушению локального реализма.
Согласно их расчётам, эксперимент привёл к нарушению неравенства Белла, превысив порог более чем на четыре стандартных отклонения. Такого рода нарушения с использованием незапутанных фотонов ранее не наблюдалось. Исследователи говорят, что эти нарушения неравенства Белла возникают из-за свойства, называемого квантовой неразличимостью по идентичности путей, а не из-за запутанности.
«Наша работа устанавливает связь между квантовой корреляцией и квантовой неразличимостью, предоставляя понимание фундаментального происхождения наблюдаемых в квантовой физике противоречивых характеристик», — пишут авторы исследования.
Хотя эта работа может быть новаторской, всё ещё существуют некоторые возможные проблемы, которые необходимо решить в будущих исследованиях. Например, эксперимент основан на постселекции, когда обнаруживаются только определённые фотоны, что может давать вводящие в заблуждение результаты.
Ещё одна возможная проблема связана с лазейкой локальности из-за неправильной настройки фазы детекторов. Однако авторы исследования осознают ограничения своего исследования и стремятся найти решения этих проблем и попробовать снова.
Ионно-электронный фотодетектор приближает к реальности зрение внутри сенсора
На пересечении нейроморфной инженерии и фотоники исследователи разработали ионно-электронный фотодетектор, который не только обнаруживает свет, но и выполняет обработку изображений внутри сенсора, предлагая потенциал для преодоления некоторых ограничений человеческого зрения, включая недостатки цветового зрения.
Исследование, озаглавленное «Ионно-электронный фотодетектор для помощи зрению с обработкой изображений внутри сенсора» и опубликованное в Nature Communications, было проведено под руководством Хай Хуана, Цзяньлу Вана и их коллег из Университета Фудань и Университета Китайской академии наук.
В основе этой инновации лежит многослойный фотодетектор на основе фосфида индия меди (CIPS), ван-дер-ваальсова сегнетоэлектрического материала, который поддерживает как ионную, так и электронную проводимость.
Используя движение мобильных ионов Cu⁺, устройство демонстрирует нелинейные и зависящие от истории фотоотклики, что позволяет ему динамически настраивать свою чувствительность к свету. Эта реконфигурируемость позволяет устройству выборочно усиливать слабые сигналы или подавлять переэкспонированные области — функциональность, которая может помочь устранить пробелы в восприятии человеческого зрения, такие как плохая адаптация к контрасту или цветоразличение.
«Это шаг к вычислениям внутри сенсора — парадигме, в которой часть вычислений физически встроена в датчик», — говорит ведущий автор Хай Хуан.
«Вместо того чтобы просто преобразовывать свет в электрические сигналы, наше устройство может обрабатывать информацию по мере её захвата. Это не только снижает энергопотребление, но и обеспечивает быстрые адаптивные реакции зрения».
Особенно перспективным направлением развития этой технологии является её потенциал для помощи людям с нарушениями цветового зрения (дальтонизмом). Способность устройства перераспределять спектральный контраст и модулировать чувствительность в реальном времени может обеспечить адаптивную визуальную предварительную обработку, например, усиление цветового контраста между красным и зелёным.
Это открывает возможность для будущей разработки визуальных вспомогательных устройств на основе микросхем или протезных компонентов, которые улучшают разделение цветов и распознавание объектов в сложных визуальных сценах.
Фотодетектор также может выполнять основные операции с изображениями, такие как удаление шума, повышение контрастности и фильтрация инверсии изображений — всё это на месте, в структуре устройства. Поскольку эти функции выполняются без внешней схемы, конструкция позволяет избежать узких мест с передачей данных и энергетических затрат, связанных с традиционными датчиками изображений и процессорами, что делает её идеальной для низкоэнергетических периферийных приложений искусственного интеллекта.
Команда также продемонстрировала, что детектор проявляет программируемое поведение фотоответа, которое меняется в зависимости от истории воздействия света — например, переключение между режимами положительного и отрицательного отклика в зависимости от условий освещения. Эта динамика напоминает биологическую адаптацию зрения, но искусственная система предлагает превосходную настраиваемость и скорость.
«Будущее искусственного зрения — это не просто копирование биологии, это выход за её пределы», — говорит Хуан. «С помощью ионно-электронных материалов мы можем внедрить интеллект на уровне материала. Это открывает возможности для адаптации в реальном времени, включая потенциальные преимущества для людей с нарушениями зрения».
Исследователи планируют масштабировать технологию до двумерных массивов датчиков и изучить её интеграцию в нейроморфные системы визуализации. Хотя улучшение зрения для людей с дальтонизмом остаётся долгосрочной целью, эта работа закладывает основу для нового класса умных пикселей, стирающих грань между восприятием и мышлением, предлагая не только более совершенные машины, но и потенциально лучшее зрение.