保羅·克維亞特（Paul Kwiat）要求他的志願者坐在一個小黑屋子裡。當他們的眼睛適應黑暗時，每位志願者都像在驗光師那裡一樣，將頭靠在下巴託上，並用一隻眼睛凝視著一個昏暗的紅色十字。十字的每一側都有一根光纖，其位置旨在將單個光子匯入志願者眼睛的左側或右側。
即便在驗證人眼探測單個光子的能力時，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的實驗量子物理學家克維亞特和他的同事們也正將目光放得更高遠：根據他們於6月21日提交給預印本伺服器arXiv的一篇論文，他們計劃利用人類視覺來探索量子力學的基本原理。
他們的想法不是簡單地透過左側或右側光纖向志願者的眼睛傳送單個光子，而是傳送處於量子疊加態的光子，使其有效地同時穿過兩條光纖。人類會看到任何不同之處嗎？根據標準量子力學，他們不會——但從未進行過此類測試。如果克維亞特的團隊得出確鑿的結果，表明情況並非如此，那將質疑我們目前對量子世界的理解，為其他理論開啟大門，這些理論認為，無論觀察或觀察者如何，現實都存在，這與當今量子力學的解釋方式背道而馳。“這可能是在表明，有些事情超出了標準量子力學的範疇，”克維亞特的前學生麗貝卡·霍姆斯（Rebecca Holmes）說，她設計了該裝置，現在是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究員。
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確定人類是否可以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》雜誌上報告稱，人眼可以看到視網膜上僅五個光子閃爍的光芒。三十多年後，當時的加州大學伯克利分校的生物物理學家芭芭拉·薩基特（Barbara Sakitt）進行了實驗，暗示眼睛可以看到單個光子。但這些實驗遠非結論性的。“所有這些實驗的問題在於，它們只是試圖使用‘經典’光源”，而這些光源無法可靠地發射單個光子，霍姆斯說。也就是說，無法保證每次早期試驗都只涉及一個光子。
然後，在2012年，出現了確鑿的證據，表明單個光感受器或視杆細胞可以探測到單個光子——至少在青蛙的眼睛中是這樣。新加坡科技研究局的列昂尼德·克里維茨基（Leonid Krivitsky）和他的同事們從成年青蛙的眼睛中提取了視杆細胞，並進行了實驗室測試，表明這些細胞對單個光子做出了反應。現在，“絕對毫無疑問，單個光感受器會對單個光子做出反應，”克維亞特說。但這與說這些視杆細胞在活體青蛙中——或者，就此而言，在人類中——也做同樣的事情是不同的。因此，克維亞特與伊利諾伊州的同事物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett）等人開始設想使用單光子源進行人類視覺測試。很快，克維亞特的團隊（現在包括霍姆斯）實際上開始進行實驗。但是，“我們在這方面輸給了別人，”霍姆斯說。
2016年，當時在維也納大學的生物物理學家阿里帕沙·瓦齊裡（Alipasha Vaziri）領導的一個團隊報告稱，他們使用單光子源來證明“人類可以探測到入射到他們眼睛上的單個光子，其機率明顯高於偶然”。
克維亞特的團隊對這一結果有些懷疑，他們希望透過對更多受試者進行更多次試驗來提高統計資料。他們主要擔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穿過角膜，即眼睛的透明外層，它會反射一部分光線。然後，光子進入晶狀體，晶狀體與角膜一起將光線聚焦在眼睛後部的視網膜上。但在晶狀體和視網膜之間，有一種透明的凝膠狀物質，它賦予眼睛形狀——這也可能吸收或散射光子。實際上，只有不到10%的擊中角膜的光子到達視網膜中的視杆細胞，從而產生神經訊號，這些訊號傳遞到大腦，引起感知。因此，獲得統計上顯著的、高於偶然性的結果是一個艱鉅的挑戰。“我們希望在未來六個月內得到一個明確的答案，”克維亞特說。
但這並沒有阻止他們夢想新的實驗。在標準設定中，半鍍銀鏡會將光子引導到左側或右側光纖。然後，光子落在志願者視網膜的一側或另一側，受試者必須透過鍵盤指示是哪一側。但是，將光子置於同時穿過兩條光纖併到達眼睛兩側的疊加態是微不足道的（使用量子光學）。接下來會發生什麼取決於人們對光子會發生什麼的想法。
物理學家使用稱為波函式的數學抽象來描述光子的量子態。在疊加光子撞擊眼睛之前，其波函式是分散的，並且光子有相同的機率在左側或右側被看到。光子與視覺系統的相互作用充當一種測量，人們認為這種測量會“坍縮”波函式，並且光子隨機地停留在其中一側，就像丟擲的硬幣正面或反面朝上一樣。當感知疊加光子與感知經典狀態的光子相比時，人類是否會看到左右兩側的光子計數存在差異？“如果你相信量子力學，那麼應該沒有差異，”克維亞特說。但如果他們的實驗發現了一個無可辯駁的、具有統計學意義的差異，那將表明量子物理學存在問題。“那將是一件大事。那將是一個相當驚天動地的結果，”他補充道。
這樣的結果將指向量子力學核心問題的一種可能的解決方案：所謂的測量問題。該理論中沒有任何內容明確指出測量如何坍縮波函式，如果波函式確實會坍縮的話。測量裝置應該有多大？就眼睛而言，單個視杆細胞可以做到嗎？或者需要整個視網膜？角膜呢？有意識的觀察者是否需要參與其中？
一些替代理論透過獨立於觀察者和測量裝置來呼叫坍縮來解決這個潛在的問題。例如，考慮“GRW”坍縮模型（以理論家吉安卡洛·吉拉爾迪（Giancarlo Ghirardi）、阿爾貝託·裡米尼（Alberto Rimini）和圖利奧·韋伯（Tullio Weber）的名字命名）。GRW模型及其許多變體假設波函式會自發坍縮；疊加態物體的質量越大，其坍縮速度越快。這將導致的一個結果是，單個粒子可以無限期地保持在疊加態，而宏觀物體則不能。因此，在GRW中，臭名昭著的薛定諤的貓永遠不可能處於既死又活的疊加態。相反，它總是要麼死要麼活，而我們只有在觀察時才會發現它的狀態。據說這些理論是現實的“獨立於觀察者”的模型。
如果像GRW這樣的坍縮理論是對自然界的正確描述，那麼它將顛覆近一個世紀以來試圖論證觀察和測量對於現實的形成至關重要的思想。至關重要的是，當疊加光子落在眼睛上時，GRW會預測眼睛左右兩側的光子計數與標準量子力學相比存在極其微小的差異。這是因為在光子處理的各個階段，不同大小的系統——例如兩個視杆細胞中的兩個光敏蛋白與視網膜中視杆細胞和相關神經的兩個組合——在與光子相互作用後會表現出不同的自發坍縮率。儘管克維亞特和霍姆斯都強調他們極不可能在實驗中看到差異，但他們承認，任何觀察到的偏差都將暗示類似於GRW的理論。
澳大利亞國立大學的理論量子物理學家邁克爾·霍爾（Michael Hall）沒有參與這項研究，他同意GRW會預測光子計數中存在非常小的偏差，但他說，這種偏差太小，無法透過擬議的實驗檢測到。儘管如此，他認為光子計數中的任何異常都值得關注。“那將非常嚴重。我發現這不太可能，但有可能，”他說。“那將非常有趣。”
克維亞特還想知道量子態與經典態的主觀感知是否存在差異。“當一個人直接觀察到一個量子事件時，他的感知上是否有任何不同？”他問道。“答案‘可能是否定的’，但我們真的不知道。除非你有一個完整的物理模型，可以精確到人類視覺系統中正在發生的量子力學水平——我們沒有——或者你做實驗，否則你無法知道答案。”
瓦齊裡2016年團隊的成員羅伯特·普雷韋德爾（Robert Prevedel）現在在德國的歐洲分子生物學實驗室工作，他更感興趣的是弄清楚坍縮實際上發生在事件鏈中的哪個位置。它是在開始時，當光子擊中視杆細胞時發生嗎？還是在中間，隨著神經訊號的產生和傳遞而發生？還是在最後，當訊號在有意識的感知中註冊時發生？他建議向提取的視網膜發射疊加光子，並記錄來自視覺處理不同層級（例如，來自視杆細胞或構成視網膜的不同型別的光感受細胞）的訊號，以檢視疊加態持續多長時間。
普雷韋德爾認為，視杆細胞的首次吸收應該會破壞光子的疊加態。但“如果我們能夠在視網膜的不同細胞層內部的任何後續層級，甚至任何下游神經元迴路中看到量子[疊加]，那將真是一項突破，”他說。“這將是一個驚人的發現。”
當然，房間裡還有一頭大象：人類意識。有意識的感知最終會導致量子態的坍縮，使光子出現在一側或另一側嗎？普雷韋德爾懷疑意識與測量和坍縮有任何關係。
“意識……是在我們大腦中產生的，是數百萬甚至數十億個細胞和神經元共同作用的結果。如果意識在量子疊加的探測中發揮作用，那將涉及一個真正宏觀的物體，達到整個大腦的水平，即構成生物細胞的大量原子和電子集合，”普雷韋德爾說。“從我們所知的一切來看，這種宏觀物體將無法維持量子[疊加]。”