光合作用是地球上大部分生命的動力來源，光合作用的精細程度令人驚歎，只需一個光子就足以啟動它。
長期以來，科學家們一直懷疑光合作用一定對單個光子或光粒子敏感，因為儘管陽光在我們日常生活中佔據主導地位，但在單個植物細胞層面，陽光卻出奇地稀疏。但直到現在，藉助量子物理學的幫助，研究人員才能夠觀察到單個光包如何啟動這一過程，這一實驗於 6 月 14 日在《自然》雜誌上進行了描述。
德克薩斯州西南大學的物理化學家薩拉·梅西說：“光合作用只需要一個光子是有道理的，但實際上能夠測量到這一點……確實是突破性的。”她沒有參與這項新研究。“能夠透過這些實驗的資料親眼看到這一點非常有價值。”
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一個關鍵的障礙是，一次產生單個光子非常困難。因此，在實驗中，研究人員創造了單獨的糾纏光子對，根據量子領域的規律，無論它們之間相隔多遠，它們都會相互影響。科學家們將每對光子中的一個光子束射向探測器，以確定系統中只有一個與其匹配的光子。他們同時將匹配的光子送入細菌的所謂光捕獲 2 (LH2) 複合體中，該複合體參與光合作用的最初步驟。LH2 結構是從紫色細菌球形紅細菌中提取的，它在那裡收集光（吸收能量）並將其輸入光合作用機制。在實驗裝置中，LH2 複合體在能量被吸收後釋放出光，提醒科學家光子已經通過了系統。
加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室的物理化學家、這項新研究的合著者格雷厄姆·弗萊明說：“我們製造一對糾纏光子，我們探測到一個——我們稱之為先導——然後我們將另一個放在我們的樣本上，並尋找訊號。”
或者更確切地說，這只是理論。在現實中，這種方法有點困難，因為熒光可能發生在任何方向，這使得視野有限的基礎探測器難以發現。“探測先導很容易；探測熒光要困難得多，”弗萊明說。“大多數時候，我們什麼也看不到。”
因此，科學家們一遍又一遍地重複這個過程——產生了超過 170 億個先導光子，並且在大約每 10,000 個先導光子中探測到來自 LH2 的熒光。執行的次數足以讓研究人員對結果進行統計分析。該研究的合著者、加州大學伯克利分校的量子物理學家李全偉表示，考慮到單個光子是多麼挑剔，這是量子光學中的關鍵一步。分析證實，實驗的輸入和輸出都是單個能量量子。
麻省理工學院的物理化學家曹建樹說：“他們實際上使用量子光來表明能量吸收是量子事件，一次發生一個光子。”他沒有參與這項研究。“我認為他們能夠將新的量子技術（即量子光）應用於一個非常龐大、複雜且混亂的生物系統，這非常有趣。”
弗萊明、曹和梅西表示，該實驗的成功為使用量子光進行其他研究鋪平了道路——無論是在光合作用領域還是其他領域。
與此同時，這項新研究讓科學家們有史以來最清晰地瞭解了對地球生命至關重要的過程。“這是一個你實際上是在觀察單個光粒子的實驗，想到我們正在放大到那個層面，真是令人驚歎和令人興奮，”梅西說。