Amaç:

İnsan gözünü kuantum ışık kaynakları ile uyararak, yüksek hassasiyette optik ölçümler (kuantum metroloji) ile gözün ağ tabakası (retina) hakkında öğrenebileceklerimizi, bu ölçümlerde kuantum durumların birbirlerine ve klasik durumlara göre avantajlarını ortaya koymayı ve bu bilgiler ışığında kuantum biyometri, kuantum oftalmoloji ve kuantum psikofiziksel araştırma alanlarında öncülük etmeyi amaçlıyoruz.

Tanıtım ve Özgün Değer:

Planck’ın ışık enerjisinin kuantum (foton) yapısını ortaya koymasından hemen sonra insan gözünün algılayabileceği en düşük şiddette ışığın kaç fotona tekabül ettiği sorgulanmaya başlandı. 1940’ların başlarındaki deneyler birkaç fotonu görebileceğimizi ortaya çıkardı. Yakın geçmişte tek foton kaynaklarının geliştirilmesiyle daha hassas ölçümler önerildi. Işığın kuantum istatiksel kuramı (kuantum optik) ile kuantum bilgi kuramı birlikteliğinde, gözün foton detektörü olarak kullanıldığı, kuantum dolanıklık, süperpozisyon ve dalga-parçacık ikilemi gibi kuantum mekaniğin temellerini test edebilecek deneyler tartışıldı. Projemizde üç özgün soruya cevap arayacağız:

1. Kuantum metroloji ve ışığın kuantum durumlarını kullanarak görme sistemi hakkında ne gibi bilgiler elde edebiliriz?
2. Kuantum ölçümlerin ve kuantum durumların birbirlerine veya klasik sistemlere göre avantajları nelerdir?
3. Kuantum teknolojileri ile daha güvenli biyometrik sistemler, yüksek hassasiyetle görme veya sinir ağı bozukluklarının tanısı gibi uygulamalar önerebilir miyiz?

Ayrıca retinadaki foton algısının beyinde de olup olmadığı, gözün kuantum dolanık durumları sınıflandırıp sınıflandıramayacağı gibi temel ve tartışmalı konulara da ışık tutabileceğiz. Bu sorulara cevap ararken, görme sisteminin sinir ağı yapısı ile gözün fotodetektör modelini beraberce ele alarak özgün bir yaklaşım geliştireceğiz. Kuantum mekaniğin testleri ile ilgili literatürde göz, fotodetektör olarak modellenmektedir. Retinanın sinir ağı yapısı ise farklı bir literatürde tartışılmaktadır. Çalışmamız nöroloji ve kuantum metroloji yaklaşımlarının sentezinde öncü rol oynayacaktır.

Kuramsal Yaklaşım ve Yöntem:

Ön çalışmalarımızda iki fotoreseptör ile tek bir ganglion hücresinden ibaret basit bir retina sinir ağı modeli kullandık. Retina ile etkileşen fotonları iki farklı kuantum durumunda ele aldık: (i) Eşevreli (koherent) durum ve (ii) Fock durumu. Parametre tahmin kuramı çerçevesinde Fisher bilgisini ve Cramér-Rao sınırını hesapladık. Sonuçlarımız kuantum karakteri yüksek Fock durumundaki fotonlar ile retina ağ yapısındaki sinaptik bağlantıları daha hassas olarak ölçebileceğimizi gösterdi. Bu ümit verici sonuçlar projemizin hipotez ve motivasyonu güçlendirmektedir. Projemizde kuantum metroloji çerçevesinde kuantum gürültüsü azaltılmış (sıkıştırılmış) ışık ile ölçümler de çalışacağız. Her iki gözün de yer aldığı kuantum interferometre düzenekleri önererek, dolanık fotonlar ile hassas ölçümleri ve kovaryans bilgilerini de analiz edeceğiz. Farklı hücre ve katmanları ile geniş ölçekli sinir ağı modelleri de kullanarak çok parametreli kuantum tahmin metodu, sinir ağları ile öğrenme ağları benzerliğine dayanarak klasik ve kuantum öğrenme ağı yöntemleri de kullanacağız. Bu yöntemler beraberce kuantum biyometrik, kuantum oftalmik cihaz ve deney önerileri için kullanılacak. Ayrıca davranışsal/psikofiziksel deney yöntemleri, nörogörüntüleme yöntemleri ile fotonik metrolojiyi birleştirerek beyin ve zihin fonksiyonları analizleri için özgün metotlarla deneyler önereceğiz.

Önem ve Katkılar:

Projemizde temel olarak görme sisteminin sinir ağı modelleri, foton detektörü algısı ile fotonu “görme” arasındaki fark ve ilintiler, dalga fonksiyonu çökmesi, kuantum ışık ile göz etkileşimi konularında aydınlatıcı sonuçlar ortaya koyabileceğiz. Projemizde nöroloji ve kuantum metroloji disiplinlerini sentezleyerek ortak bir araştırma alanı açmaya öncülük edeceğiz. Pratik olarak, hassas kuantum oftalmik ve kuantum biyometrik cihazlar önerebileceğiz. Projemizde geliştirilecek detaylı retina modelleri retina implantları, zihin/göz-makine arayüzü tasarımları için kıymetli bilgiler verecektir. Projemizin deney ve cihaz önerileri ile patent potansiyeli yüksektir.