这听起来像是一个简单的任务：在不破坏光束中的光子或光粒子的前提下，计数它们的数量。但事实上，研究人员在本周的《自然》杂志上报告称，这项壮举花费了17年才完成。
巴黎高等师范学院的一个团队将经过特殊预处理的原子发射穿过一对有史以来反射率最高的镜子[见图]，逐步揭示在反射面之间反弹的光子数量。他们的方法提供了对量子系统诡异“坍缩”的高分辨率一瞥，并可能有助于开发未来的量子技术。
“这是量子场论的教科书式例证，”领导巴黎团队的物理学家塞尔日·阿罗什说。
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光子计数本身并不新鲜。标准的 оптические 工具吸收入射光子并将其转换为电能，从而产生可听见的咔哒声——光子的丧钟。阿罗什说，“理想的”测量将允许对同一光子进行重复采样。
为了实现这一目标，他的团队采用了一种称为量子非破坏测量的技巧，其中一个系统的属性——在本例中是电磁场中光子的数量——通过模糊第二个属性的值来精确测量，第二个属性是电场的相位，这有点像时钟指针的位置。非破坏测量是著名的不确定性原理的反面，该原理指出，某些属性（例如位置和动量）不能同时被精确测量。
包括米歇尔·布鲁内和让-米歇尔·雷蒙德在内的巴黎物理学家制备了冷铷原子，每个原子都包含一个高能电子，该电子像滴答作响的时钟一样在两个能量之间以特定频率振荡——所谓的里德堡态。他们调整了每个时钟的“指针”，使其处于特定相位，并将多达 100 个原子单独射入一个高尔夫球大小的、充满激光状微波的镜面腔中。
最初，光处于典型的古怪量子态，同时包含零个光子、一个光子以及最多七个光子。但是，每个经过的原子都会稍微扰乱微波的组合相位，从而将光推向确定的光子数量。这种扰乱也改变了每个原子的相位，团队对此进行了测量。经过几十个原子后，光子的数量稳定为一个值。
正如量子怪异性所体现的那样，当研究人员重复计数时，每次场都会随机坍缩为零到七个光子之间的数字（有 80% 的几率在两个到四个之间）。阿罗什说，八年前就已证明单光子非破坏测量的科学家们，长期以来一直梦想着计数多个光子。
他解释说，团队成功的关键在于镜面腔的高质量，因为它允许光子同步反弹十分之一秒，或者足够光线环绕地球赤道——在光子变得无序之前，有足够的时间让足够的原子快速通过。
马里兰大学的实验物理学家路易斯·奥罗兹科说：“其中有很多技术壮举。对我来说，收敛到一个确定的答案是非常令人印象深刻的事情。”
他说，这项技术可能有助于创造奇异的量子态，这可能在基于量子的计算机或通信系统中发挥作用。如果它能解释为什么量子测量会产生随机结果就好了。