保罗·克维亚特（Paul Kwiat）要求他的志愿者坐在一个小黑屋子里。当他们的眼睛适应黑暗时，每位志愿者都像在验光师那里一样，将头靠在下巴托上，并用一只眼睛凝视着一个昏暗的红色十字。十字的每一侧都有一根光纤，其位置旨在将单个光子导入志愿者眼睛的左侧或右侧。
即便在验证人眼探测单个光子的能力时，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的实验量子物理学家克维亚特和他的同事们也正将目光放得更高远：根据他们于6月21日提交给预印本服务器arXiv的一篇论文，他们计划利用人类视觉来探索量子力学的基本原理。
他们的想法不是简单地通过左侧或右侧光纤向志愿者的眼睛发送单个光子，而是发送处于量子叠加态的光子，使其有效地同时穿过两条光纤。人类会看到任何不同之处吗？根据标准量子力学，他们不会——但从未进行过此类测试。如果克维亚特的团队得出确凿的结果，表明情况并非如此，那将质疑我们目前对量子世界的理解，为其他理论打开大门，这些理论认为，无论观察或观察者如何，现实都存在，这与当今量子力学的解释方式背道而驰。“这可能是在表明，有些事情超出了标准量子力学的范畴，”克维亚特的前学生丽贝卡·霍姆斯（Rebecca Holmes）说，她设计了该设备，现在是洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究员。
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确定人类是否可以直接探测到单个光子的努力有着悠久的历史。1941年，哥伦比亚大学的研究人员在《科学》杂志上报告称，人眼可以看到视网膜上仅五个光子闪烁的光芒。三十多年后，当时的加州大学伯克利分校的生物物理学家芭芭拉·萨基特（Barbara Sakitt）进行了实验，暗示眼睛可以看到单个光子。但这些实验远非结论性的。“所有这些实验的问题在于，它们只是试图使用‘经典’光源”，而这些光源无法可靠地发射单个光子，霍姆斯说。也就是说，无法保证每次早期试验都只涉及一个光子。
然后，在2012年，出现了确凿的证据，表明单个光感受器或视杆细胞可以探测到单个光子——至少在青蛙的眼睛中是这样。新加坡科技研究局的列昂尼德·克里维茨基（Leonid Krivitsky）和他的同事们从成年青蛙的眼睛中提取了视杆细胞，并进行了实验室测试，表明这些细胞对单个光子做出了反应。现在，“绝对毫无疑问，单个光感受器会对单个光子做出反应，”克维亚特说。但这与说这些视杆细胞在活体青蛙中——或者，就此而言，在人类中——也做同样的事情是不同的。因此，克维亚特与伊利诺伊州的同事物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett）等人开始设想使用单光子源进行人类视觉测试。很快，克维亚特的团队（现在包括霍姆斯）实际上开始进行实验。但是，“我们在这方面输给了别人，”霍姆斯说。
2016年，当时在维也纳大学的生物物理学家阿里帕沙·瓦齐里（Alipasha Vaziri）领导的一个团队报告称，他们使用单光子源来证明“人类可以探测到入射到他们眼睛上的单个光子，其概率明显高于偶然”。
克维亚特的团队对这一结果有些怀疑，他们希望通过对更多受试者进行更多次试验来提高统计数据。他们主要担心的是眼睛作为光子探测器的低效率。任何入射光子都必须穿过角膜，即眼睛的透明外层，它会反射一部分光线。然后，光子进入晶状体，晶状体与角膜一起将光线聚焦在眼睛后部的视网膜上。但在晶状体和视网膜之间，有一种透明的凝胶状物质，它赋予眼睛形状——这也可能吸收或散射光子。实际上，只有不到10%的击中角膜的光子到达视网膜中的视杆细胞，从而产生神经信号，这些信号传递到大脑，引起感知。因此，获得统计上显著的、高于偶然性的结果是一个艰巨的挑战。“我们希望在未来六个月内得到一个明确的答案，”克维亚特说。
但这并没有阻止他们梦想新的实验。在标准设置中，半镀银镜会将光子引导到左侧或右侧光纤。然后，光子落在志愿者视网膜的一侧或另一侧，受试者必须通过键盘指示是哪一侧。但是，将光子置于同时穿过两条光纤并到达眼睛两侧的叠加态是微不足道的（使用量子光学）。接下来会发生什么取决于人们对光子会发生什么的想法。
物理学家使用称为波函数的数学抽象来描述光子的量子态。在叠加光子撞击眼睛之前，其波函数是分散的，并且光子有相同的概率在左侧或右侧被看到。光子与视觉系统的相互作用充当一种测量，人们认为这种测量会“坍缩”波函数，并且光子随机地停留在其中一侧，就像抛出的硬币正面或反面朝上一样。当感知叠加光子与感知经典状态的光子相比时，人类是否会看到左右两侧的光子计数存在差异？“如果你相信量子力学，那么应该没有差异，”克维亚特说。但如果他们的实验发现了一个无可辩驳的、具有统计学意义的差异，那将表明量子物理学存在问题。“那将是一件大事。那将是一个相当惊天动地的结果，”他补充道。
这样的结果将指向量子力学核心问题的一种可能的解决方案：所谓的测量问题。该理论中没有任何内容明确指出测量如何坍缩波函数，如果波函数确实会坍缩的话。测量装置应该有多大？就眼睛而言，单个视杆细胞可以做到吗？或者需要整个视网膜？角膜呢？有意识的观察者是否需要参与其中？
一些替代理论通过独立于观察者和测量设备来调用坍缩来解决这个潜在的问题。例如，考虑“GRW”坍缩模型（以理论家吉安卡洛·吉拉尔迪（Giancarlo Ghirardi）、阿尔贝托·里米尼（Alberto Rimini）和图利奥·韦伯（Tullio Weber）的名字命名）。GRW模型及其许多变体假设波函数会自发坍缩；叠加态物体的质量越大，其坍缩速度越快。这将导致的一个结果是，单个粒子可以无限期地保持在叠加态，而宏观物体则不能。因此，在GRW中，臭名昭著的薛定谔的猫永远不可能处于既死又活的叠加态。相反，它总是要么死要么活，而我们只有在观察时才会发现它的状态。据说这些理论是现实的“独立于观察者”的模型。
如果像GRW这样的坍缩理论是对自然界的正确描述，那么它将颠覆近一个世纪以来试图论证观察和测量对于现实的形成至关重要的思想。至关重要的是，当叠加光子落在眼睛上时，GRW会预测眼睛左右两侧的光子计数与标准量子力学相比存在极其微小的差异。这是因为在光子处理的各个阶段，不同大小的系统——例如两个视杆细胞中的两个光敏蛋白与视网膜中视杆细胞和相关神经的两个组合——在与光子相互作用后会表现出不同的自发坍缩率。尽管克维亚特和霍姆斯都强调他们极不可能在实验中看到差异，但他们承认，任何观察到的偏差都将暗示类似于GRW的理论。
澳大利亚国立大学的理论量子物理学家迈克尔·霍尔（Michael Hall）没有参与这项研究，他同意GRW会预测光子计数中存在非常小的偏差，但他说，这种偏差太小，无法通过拟议的实验检测到。尽管如此，他认为光子计数中的任何异常都值得关注。“那将非常严重。我发现这不太可能，但有可能，”他说。“那将非常有趣。”
克维亚特还想知道量子态与经典态的主观感知是否存在差异。“当一个人直接观察到一个量子事件时，他的感知上是否有任何不同？”他问道。“答案‘可能是否定的’，但我们真的不知道。除非你有一个完整的物理模型，可以精确到人类视觉系统中正在发生的量子力学水平——我们没有——或者你做实验，否则你无法知道答案。”
瓦齐里2016年团队的成员罗伯特·普雷韦德尔（Robert Prevedel）现在在德国的欧洲分子生物学实验室工作，他更感兴趣的是弄清楚坍缩实际上发生在事件链中的哪个位置。它是在开始时，当光子击中视杆细胞时发生吗？还是在中间，随着神经信号的产生和传递而发生？还是在最后，当信号在有意识的感知中注册时发生？他建议向提取的视网膜发射叠加光子，并记录来自视觉处理不同层级（例如，来自视杆细胞或构成视网膜的不同类型的光感受细胞）的信号，以查看叠加态持续多长时间。
普雷韦德尔认为，视杆细胞的首次吸收应该会破坏光子的叠加态。但“如果我们能够在视网膜的不同细胞层内部的任何后续层级，甚至任何下游神经元回路中看到量子[叠加]，那将真是一项突破，”他说。“这将是一个惊人的发现。”
当然，房间里还有一头大象：人类意识。有意识的感知最终会导致量子态的坍缩，使光子出现在一侧或另一侧吗？普雷韦德尔怀疑意识与测量和坍缩有任何关系。
“意识……是在我们大脑中产生的，是数百万甚至数十亿个细胞和神经元共同作用的结果。如果意识在量子叠加的探测中发挥作用，那将涉及一个真正宏观的物体，达到整个大脑的水平，即构成生物细胞的大量原子和电子集合，”普雷韦德尔说。“从我们所知的一切来看，这种宏观物体将无法维持量子[叠加]。”