光合作用是地球上大部分生命的动力来源，光合作用的精细程度令人惊叹，只需一个光子就足以启动它。
长期以来，科学家们一直怀疑光合作用一定对单个光子或光粒子敏感，因为尽管阳光在我们日常生活中占据主导地位，但在单个植物细胞层面，阳光却出奇地稀疏。但直到现在，借助量子物理学的帮助，研究人员才能够观察到单个光包如何启动这一过程，这一实验于 6 月 14 日在《自然》杂志上进行了描述。
德克萨斯州西南大学的物理化学家萨拉·梅西说：“光合作用只需要一个光子是有道理的，但实际上能够测量到这一点……确实是突破性的。”她没有参与这项新研究。“能够通过这些实验的数据亲眼看到这一点非常有价值。”
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一个关键的障碍是，一次产生单个光子非常困难。因此，在实验中，研究人员创造了单独的纠缠光子对，根据量子领域的规律，无论它们之间相隔多远，它们都会相互影响。科学家们将每对光子中的一个光子束射向探测器，以确定系统中只有一个与其匹配的光子。他们同时将匹配的光子送入细菌的所谓光捕获 2 (LH2) 复合体中，该复合体参与光合作用的最初步骤。LH2 结构是从紫色细菌球形红细菌中提取的，它在那里收集光（吸收能量）并将其输入光合作用机制。在实验装置中，LH2 复合体在能量被吸收后释放出光，提醒科学家光子已经通过了系统。
加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的物理化学家、这项新研究的合著者格雷厄姆·弗莱明说：“我们制造一对纠缠光子，我们探测到一个——我们称之为先导——然后我们将另一个放在我们的样本上，并寻找信号。”
或者更确切地说，这只是理论。在现实中，这种方法有点困难，因为荧光可能发生在任何方向，这使得视野有限的基础探测器难以发现。“探测先导很容易；探测荧光要困难得多，”弗莱明说。“大多数时候，我们什么也看不到。”
因此，科学家们一遍又一遍地重复这个过程——产生了超过 170 亿个先导光子，并且在大约每 10,000 个先导光子中探测到来自 LH2 的荧光。运行的次数足以让研究人员对结果进行统计分析。该研究的合著者、加州大学伯克利分校的量子物理学家李全伟表示，考虑到单个光子是多么挑剔，这是量子光学中的关键一步。分析证实，实验的输入和输出都是单个能量量子。
麻省理工学院的物理化学家曹建树说：“他们实际上使用量子光来表明能量吸收是量子事件，一次发生一个光子。”他没有参与这项研究。“我认为他们能够将新的量子技术（即量子光）应用于一个非常庞大、复杂且混乱的生物系统，这非常有趣。”
弗莱明、曹和梅西表示，该实验的成功为使用量子光进行其他研究铺平了道路——无论是在光合作用领域还是其他领域。
与此同时，这项新研究让科学家们有史以来最清晰地了解了对地球生命至关重要的过程。“这是一个你实际上是在观察单个光粒子的实验，想到我们正在放大到那个层面，真是令人惊叹和令人兴奋，”梅西说。