這聽起來像是一個簡單的任務：在不破壞光束中的光子或光粒子的前提下，計數它們的數量。但事實上，研究人員在本週的《自然》雜誌上報告稱，這項壯舉花費了17年才完成。
巴黎高等師範學院的一個團隊將經過特殊預處理的原子發射穿過一對有史以來反射率最高的鏡子[見圖]，逐步揭示在反射面之間反彈的光子數量。他們的方法提供了對量子系統詭異“坍縮”的高解析度一瞥，並可能有助於開發未來的量子技術。
“這是量子場論的教科書式例證，”領導巴黎團隊的物理學家塞爾日·阿羅什說。
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光子計數本身並不新鮮。標準的 оптические 工具吸收入射光子並將其轉換為電能，從而產生可聽見的咔噠聲——光子的喪鐘。阿羅什說，“理想的”測量將允許對同一光子進行重複取樣。
為了實現這一目標，他的團隊採用了一種稱為量子非破壞測量的技巧，其中一個系統的屬性——在本例中是電磁場中光子的數量——透過模糊第二個屬性的值來精確測量，第二個屬性是電場的相位，這有點像時鐘指標的位置。非破壞測量是著名的不確定性原理的反面，該原理指出，某些屬性（例如位置和動量）不能同時被精確測量。
包括米歇爾·布魯內和讓-米歇爾·雷蒙德在內的巴黎物理學家制備了冷銣原子，每個原子都包含一個高能電子，該電子像滴答作響的時鐘一樣在兩個能量之間以特定頻率振盪——所謂的裡德堡態。他們調整了每個時鐘的“指標”，使其處於特定相位，並將多達 100 個原子單獨射入一個高爾夫球大小的、充滿雷射狀微波的鏡面腔中。
最初，光處於典型的古怪量子態，同時包含零個光子、一個光子以及最多七個光子。但是，每個經過的原子都會稍微擾亂微波的組合相位，從而將光推向確定的光子數量。這種擾亂也改變了每個原子的相位，團隊對此進行了測量。經過幾十個原子後，光子的數量穩定為一個值。
正如量子怪異性所體現的那樣，當研究人員重複計數時，每次場都會隨機坍縮為零到七個光子之間的數字（有 80% 的機率在兩個到四個之間）。阿羅什說，八年前就已證明單光子非破壞測量的科學家們，長期以來一直夢想著計數多個光子。
他解釋說，團隊成功的關鍵在於鏡面腔的高質量，因為它允許光子同步反彈十分之一秒，或者足夠光線環繞地球赤道——在光子變得無序之前，有足夠的時間讓足夠的原子快速透過。
馬里蘭大學的實驗物理學家路易斯·奧羅茲科說：“其中有很多技術壯舉。對我來說，收斂到一個確定的答案是非常令人印象深刻的事情。”
他說，這項技術可能有助於創造奇異的量子態，這可能在基於量子的計算機或通訊系統中發揮作用。如果它能解釋為什麼量子測量會產生隨機結果就好了。