Utilization of a single-photon gun to measure single-photon responses in retinal rods

Abstract

Our eyes are able to encode information from broad daylight down to only a handful of photons, but could we perceive a single photon? For decades the intrinsic Poisson variation of classical light sources has prevented definitive answers to this question. However, recent advances in quantum optics and non-classical light sources have reignited new interest in the question. Studies relying on sub-Poisson light sources have postulated that it is possible to produce sub-Poisson biological response distributions along the visual pathway, and even claimed that humans can perceive single photons. However, unambiguous experimental evidence for the prerequisite of sub-Poisson response statistics in the visual sciences has not been provided, that is, to which extent biological response statistics can differ between Poisson and sub-Poisson stimulation when taking retinal single-photon signal losses into account.

In this thesis, we use a state-of-the-art sub-Poisson light source combined with the suction pipette technique to stimulate retinal rods in an axial geometry and measure their single-photon signal losses. We resolve the constraints set by the loss of single-photon signals to biological signal statistics from rods to human psychophysics. We show that due to the loss of single-photon signals it is impossible to distinguish the response distributions originating from Poisson or sub-Poisson light sources in the retina and at the level of perception on a biologically relevant timescale. Our results require fundamental re-evaluation of the previous results relying on sub-Poisson light stimulation in vision.

Silmämme koodaavat informaatiota kirkkaasta päivävalosta aina kouralliseen fotoneita asti, mutta voisimmeko me havaita yksittäisen fotonin? Vuosikymmenien ajan klassisten valonlähteiden luontainen Poisson-vaihtelu on estänyt varman vastauksen tähän kysymykseen. Viimeaikaiset edistysaskeleet kvanttioptiikassa ja kvanttivalonlähteissä ovat kuitenkin herättäneet uutta kiinnostusta tähän kysymykseen. Sub-Poisson-valonlähteisiin perustuvat tutkimukset ovat olettaneet, että on mahdollista tuottaa sub-Poisson-jakaumia pitkin näköjärjestelmää ja jopa väittäneet, että ihmisten on mahdollista havaita yksittäisiä fotoneja. Kuitenkin yksiselitteisiä kokeellisia todisteita sub-Poisson-vastejakaumien ennakkoehdolle ei ole tarjottu näkötutkimuksessa, eli sille, millä tasolla biologiset vastejakaumat voivat poiketa Poisson- ja sub-Poisson-stimulaation välillä ottaen verkkokalvon yksittäisfotonihäviöt huomioon.

Tässä työssä käytämme viimeisintä tekniikkaa edustavaa sub-Poisson valonlähdettä yhdistettynä imupipettitekniikkaan stimuloidaksemme verkkokalvon sauvasoluja pitkittäisessä mittausgeometriassa ja mittaamme näiden yksittäisfotonisignaalien häviöt. Me ratkaisemme yksittäisfotonisignaalien häviöiden asettamat rajoitukset sauvasoluista ihmisten psykofysiikkaan. Me näytämme, että yksittäisfotonisignaalien häviöstä johtuen on mahdotonta erottaa mahdotonta erottaa Poisson- ja sub-Poisson-valonlähteen tuottamia vastejakaumia toisistaan verkkokalvolla sekä havaintotasolla biologisesti oleellisella aikaskaalalla. Tuloksemme vaativat aikaisempien, yksittäisfotonilähteisiin perustuvien näkötutkimusten perustavanlaatuista uudelleenarviointia.