vendredi 22 juillet 2016

L’œil humain : un organe capable de détecter un seul photon!


L’œil humain est un organe stupéfiant. Une expérience effectuée dans un laboratoire de biophysique par des chercheurs américains et autrichiens vient de montrer que notre œil est capable de détecter un seul photon.




Cela fait plusieurs décennies que les biologistes et les physiciens cherchent quelle est la limite de la quantité de lumière que nous pouvons percevoir. Des expériences antérieures effectuées sur des cellules de rétine de grenouilles avaient montré que les cellules qu’on appelle les bâtonnets réagissent à l’impact d’un seul photon. Mais jusqu’à aujourd’hui, on ne pouvait pas dire si le signal électrique produit par une cellule de type bâtonnet pouvait, après transmission vers le cerveau, induire un véritable signal à même d’être reconnu en tant que tel par le sujet.

Rappelons que les bâtonnets se trouvent à l’extérieur de la partie centrale de la rétine et sont surtout responsables de notre vision périphérique. Nous en possédons environ 120 millions. Très sensibles à la lumière, ils nous permettent ainsi la vision nocturne. En revanche, en présence d’une forte lumière, les bâtonnets deviennent complètement "aveugles". Et les bâtonnets ne décomposent pas la lumière en couleurs (la nuit, tous les chats sont gris...).
Ce sont les autres cellules de la rétine, les cônes, dont le nombre varie entre 6 et 7 millions, qui assurent à l’œil humain la vision des couleurs et une bonne acuité visuelle. Ils sont concentrés au centre de la rétine (la macula).

Pour faire ces tests à l’échelle réelle sur des volontaires, les chercheurs devaient  également pouvoir disposer d’une installation permettant de produire à volonté de la lumière quantifiée, photon par photon, et donc disposer de la technologie d’optique quantique du dernier cri. Dès les années 1940, des expériences avaient montré que l’œil humain pouvait être sensible à quelques photons (environ 5 à 7). En 2015, une équipe américaine avait réussi à montrer, sans toutefois publier ses résultats, que l’œil pouvait percevoir une quantité de lumière aussi faible que 3 photons. Aujourd’hui, Alipasha Vaziri (Université Rockfeller, New York), et ses collaborateurs vont plus loin en montrant que nous pouvons déceler l’impact d’un seul photon. Ils publient leur étude cette semaine dans la revue Nature Communications.

Armés de leur générateur de lumière quantique pouvant produire un seul photon à la demande, les chercheurs ont utilisé trois cobayes humains volontaires qu’ils ont placés dans le noir absolu durant 40 minutes. Chaque volontaire a ensuite été mis en face du système optique et devait appuyer sur un bouton qui produisait deux sons espacés d’une seconde. Un photon était envoyé, ou non, dans son œil simultanément au son produit. Le volontaire devait alors dire si il pensait avoir « vu » quelque chose, en donnant une note de 1 à 3 sur son niveau de confiance.

Beaucoup de photons n’ont pas été détectés, ce qui se comprend du fait que près de 90% des photons qui entrent dans notre œil n’atteignent jamais notre rétine et nos bâtonnets, car absorbés ou réfléchis par d’autres parties de l’œil. Mais le taux de bonnes réponses est apparu significativement plus important que si les réponses l’avaient été au hasard… et le niveau de confiance donné était plus élevé quand la réponse était correcte.

Bâtonnet (à gauche) et cône (à droite)
L’expérience montre une évidence de la détection d’un photon unique avec une grande robustesse grâce à la statistique importante obtenue : plus de 2400 tests effectués sur les trois volontaires. Les chercheurs ont par ailleurs découvert que la probabilité de détecter un photon dépend de la présence antérieure d’un autre photon, ce qui laisse penser à l’existence d’un processus qui augmente temporairement la « sensibilité » de l’œil sur une échelle de quelques secondes suite à la détection d’un photon.
L’œil humain apparaît ainsi être un détecteur de lumière ultra-efficace, il faut songer que l’énergie apportée par un unique photon est ici de seulement 4 10-19 joules (soit 2,5 électronvolts). L’auteur principal de l’étude a testé sur lui-même son expérience et raconte : « Le plus surprenant, c’est que lorsqu’un photon est perçu, ce n’est pas comme si on « voyait » de la lumière, on ne voit pas un flash, mais c’est plutôt comme un sentiment, comme une sensation, à la limite de l’imagination…».

Alipasha Vaziri voudrait maintenant tester comment le système visuel humain répond à des photons qui se trouvent dans des états quantiques différents, comme par exemple ceux qui se trouvent dans une superposition d’états. De tels états quantiques peuvent-ils être perçus par notre cerveau ? L’être humain pourrait servir dans ce cas de détecteur dans des expériences de physique quantique explorant la non-localité… Sur le plan biologique, l’utilisation de sources de photons uniques pourra permettre d’explorer plus directement les processus physiologiques de la rétine.
Nous sommes visiblement bien armés pour observer le ciel à l’œil nu, comme le ciel d'été et dans quelques jours ses étoiles filantes...

Source :

Direct detection of a single photon by humans
Jonathan N. Tinsley et al.
Nature Communications 7, 12172 (19 july 2016)