L’œil humain serait-il un extraordinaire photodétecteur ? C'est ce que suggère une nouvelle étude. © Voronin76, Shutterstock

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L’œil humain semble détecter un photon unique

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À quel point l'œil humain est-il sensible à la lumière ? Cette question, les chercheurs se la posent depuis bien longtemps. Et une équipe avance aujourd'hui que notre œil est capable de discerner... un photon unique !

Quelques études avaient déjà établi qu'un œil humain peur repérer des flashes de cinq à sept photons. Il y a environ un an, une équipe de chercheurs de l'université de l'Illinois (États-Unis) — sans pour autant publier ses résultats — montait le record à seulement trois photons. Aujourd'hui, une collaboration de la Rockefeller University (États-Unis) et du Research Institute of Molecular Pathology (Autriche) va plus loin en démontrant que les êtres humains peuvent détecter la présence d'un photon unique !

Des expériences menées sur des grenouilles avaient montré, par le passé, que les bâtonnets (l'un des deux types de cellules réceptrices de la rétine) étaient activées en réponse à de simples photons. Cependant, notamment parce que la rétine traite les informations de sorte de réduire le bruit de fond, il n'avait pas pu être prouvé que ce signal est bien transmis jusqu'au cerveau. Et, même si cela avait été le cas, cela n'aurait pas établi qu'une personne aurait pu le détecter consciemment.

« C'est presque incroyable ! Imaginez un photon, la plus petite particule de lumière mesurable, qui interagit avec un système biologique constitué de milliards de cellules, le tout dans un environnement chaud et humide, s'émerveille Alipasha Vaziri, physicien à la Rockefeller University et principal auteur de l'étude. Pour atteindre les mêmes performances, n'importe quel détecteur artificiel doit être refroidi et isolé du bruit ambiant. Là, la réponse que le photon génère survit jusqu'au plus profond de notre conscience, malgré un bruit de fond omniprésent. Car le plus surprenant est qu'il ne s'agit pas ici de voir la lumière au sens propre. Il s'agit plus d'un sentiment, à la limite de l'imagination. » Et Alipasha Vaziri sait de quoi il parle. Car pour en avoir le cœur net, il en a lui-même fait l'expérience.

Des expériences menées sur des grenouilles avaient déjà fait la preuve de la sensibilité des cellules en bâtonnet, sans pour autant parvenir à une conclusion concernant la transmission de l’information au cerveau. © Dinda Yulianto, Shutterstock

Un système quantique pour générer un photon unique

Pour arriver à leur conclusion, les chercheurs de la Rockefeller University ont mis en œuvre un système souvent utilisé en optique quantique, dans lequel un photon de haute énergie, à travers un cristal non linéaire, génère deux photons de couleurs complémentaires. Dans cette expérience, l'un d'entre eux a été envoyé vers des cobayes humains et l'autre vers un détecteur permettant aux chercheurs de valider ou non leurs observations. Les volontaires ont ensuite été placés dans le noir total pendant 40 minutes. Puis, les chercheurs leur ont demandé de se concentrer sur le système optique. Lorsqu'ils pressaient un bouton, ils entendaient deux sons, séparés d'une seconde. Aléatoirement, l'un des sons s'accompagnait de l'émission d'un unique photon. Charge aux cobayes de rapporter lorsqu'ils pensaient avoir vu un photon et le niveau de confiance qu'ils accordaient à leur réponse, sur une échelle de 1 à 3.

Certes, ils se sont trompés dans bien des cas. Un résultat à prévoir car 90 % des photons émis, absorbés ou réfléchis par d'autres parties de l'œil, n'avaient aucune chance d'atteindre les bâtonnets. Toutefois, les cobayes ont donné bien plus de bonnes réponses que cela n'aurait été le cas s'ils avaient simplement répondu au hasard. Et avec un degré de confiance lui aussi plus important. Après plusieurs milliers de tests, les chercheurs estiment donc disposer de preuves statistiquement solides de la capacité de détection par l'œil humain d'un photon unique.

Reste tout de même à valider ces résultats, en testant plus de cobayes notamment. Mais aussi, comme l'envisage déjà Alipasha Vaziri, en testant la façon dont l'œil répond au stimulus de photons dans des états quantiques différents, et en particulier de ceux qui se trouvent dans une superposition d'états.

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