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Nature：量子实验溯源了光合作用
光子盒研究院
现在，科学家们发现，为地球上大部分生命提供动力的过程——光合作用，只要一个光子就足以启动。
科学家们长期以来一直怀疑，光合作用必须对单个光子或光的粒子敏感。因为尽管它主宰了我们的每一天，但在单个植物细胞的层面上，太阳的光却出奇地稀少。但是直到现在，在量子物理学的帮助下，研究人员才能够在6月14日《自然》杂志上描述的一个实验中观察到单个光包开始的过程。
光合作用只需要一个光子，这是有道理的，但实际上能够测量它......真的是突破性的。——能够通过这些实验的数据实际看到这一点是非常有价值的。
一个关键的障碍是，每次产生一个光子是令人惊讶的困难。因此，在实验中，研究人员创造了一对单独的纠缠光子，根据支配量子领域的法则，这些光子不论其分离程度如何，都会相互影响。科学家们将每对光子中的一个光子射向一个检测器，以确定系统中只有其单一匹配的光子存在。他们同时将该匹配的光子送入一个细菌的所谓“光收集2（LH2）复合物”中（该复合物参与了光合作用的第一个步骤）。
LH2结构是从紫色细菌Rhodobacter sphaeroides中提取的，它在那里收集光（吸收的能量）并将其输入光合作用机器。在实验装置中，LH2复合物在能量被吸收后释放出光，提醒科学家们光子已经通过了该系统。
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、这项新研究的共同作者Graham Fleming说：“我们制造一对纠缠的光子、检测其中一个；然后，我们把另一个放在我们的样品上，寻找信号。”
在现实中，这种方法有点困难，因为荧光可以在任何方向发生，使得视野有限的基本检测器难以发现它。Fleming接着解释道：“检测光子很容易；检测荧光就难得多了。——大多数时候，我们什么都没看到。”
因此，科学家们一遍又一遍地重复这个过程，产生了超过170亿个预示光子，并且在每10000个预示中检测到了来自LH2的荧光。这一数量的运行足以让研究人员对结果进行统计分析。研究报告的共同作者、加州大学伯克利分校的量子物理学家Quanwei Li说，这是量子光学的一个关键步骤，因为单个光子可能很微妙。该分析证实，实验的输入和输出都是单一的量子能量。
关于此次实验的原理，并没有参与实验的麻省理工学院物理化学家Jianshu Cao解释说：“他们实际上是用量子光来表明能量吸收是一次发生一个光子的量子事件。我认为他们能够将新的量子技术——量子光，应用于一个非常大的、复杂的、混乱的生物系统，这非常耐人寻味。”
该实验的成功为使用量子光的其他调查铺平了道路，特别是在光合作用和其他方面。同时，这项新的研究使科学家们有史以来最敏锐地观察到一个对地球上的生命至关重要的过程。
研究团队表示，“这是一个你实际上是在观察一个单一的光粒子的实验，想想看，我们在这个层面上放大，这真是令人惊讶和震惊。”
参考链接：[1]https://www.scientificamerican.com/article/quantum-light-experiment-proves-photosynthesis-starts-with-a-single-photon/[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06121-5