“量子”4轮审稿，耗时2年！90后一作“死磕”终发Nature

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在美国加州大学伯克利分校第10年，90后小伙李全伟首次以第一作者身份在Nature发表论文。他所在团队用量子物理学方法，证明了生物和化学中一个“众所周知的假设”：仅需一个单光子，就足以启动一次光合作用。

不过，这篇论文的投稿过程可谓一波三折。

在两年前的首轮投稿中，一位审稿人措辞严厉，质疑这项研究“结果并不令人意外”。随后漫长的审稿过程中，团队冒着论文被抢发的风险坚持下来，终成正果。 

这项研究的通讯作者之一、74岁的加州大学伯克利分校化学系教授Graham Fleming感慨说，在他40多年的研究生涯中，发表过几百篇论文，而这是历时最长的一次投稿，没有之一。

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李全伟（右）和Graham Fleming。图片来自受访者

2019年底，李全伟博士毕业前夕，同校化学系的Graham Fleming和Birgitta Whaley抛来橄榄枝，邀请他加入团队研究光合作用中的量子效应难题。

当时，李全伟的朋友好心地“劝退”他：“这个方向不好做，不少科学家做了很多年都没有结果，你要慎重考虑。”

Fleming邀请李全伟参与的研究，确实是一项悬置10多年的难题。

早在2007年，Fleming团队就利用能进行光合作用的绿硫细菌中的FMO复合物，发现能量传递实际上利用了量子相干性。这意味着，自然界的光合作用系统中能量传输的效率接近100%，量子效应可能起到极为关键的作用。10多年间，这篇发表于Nature的开创性研究已被引用超过3500次。

问题在于，当时使用的强大的超快激光脉冲，与自然界中的太阳光源有着很大的差异，也无法排除实验观测到的量子现象中的激光脉冲影响。因此，想进一步研究光合作用中的量子相干性问题，必须开发一种新的量子光学实验方法。

在此背景下，李全伟加入了Fleming实验室，开始研发量子光光谱学新技术（quantum light spectroscopy）。如果把研究问题比作“钉子”，研究方法比作“锤子”，这篇新发Nature论文的灵感，就发生在打造新“锤子”的过程中。

一直以来，科学家相信只需要一个单光子，就足以启动光合作用的化学反应。但在过去几十年里，这个被众人相信的假设，却从未被实验证明。而这项量子光光谱学新技术，恰好能实现单光子照射，并回答有关生命如何在最小尺度上运作的问题。

借用这项技术，李全伟等研究人员创造出了一次只产生一对光子的光子源。当光子探测器捕捉到“标示光子”，这表示与其相伴的另一个单光子被照射到了实验样品“捕光2复合物”LH2上。

被LH2吸收的单光子能量，在LH2内部经历多次能量转移之后，作为荧光单光子被另一个探测器捕捉，这就是光合作用被单个光子启动的明确信号。深耕光合作用领域40多年的Fleming不由惊叹：“大自然耍了一套非常聪明的把戏。”

对许多生物学者来说，单光子启动光合作用并不是令他们最惊讶的，完成这项单光子实验的技术更令他们好奇。可以说，这篇Nature论文只是量子光光谱学新技术的“小试牛刀”。李全伟希望，这项正在发展的技术，未来能一步一步揭示像光合作用一般复杂的系统中的量子密码：量子相干性、量子纠缠……

“你可以这么理解，我们为了量子相干性的‘钉子’，发明了一把新的‘锤子’——一把非常厉害的‘锤子’。”李全伟总结道，“这把锤子不仅能‘钉钉子’，还能‘夯实地基’。”

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简化实验示意图，左侧蓝色大圆点表示单个光子，右边红色大圆点表示荧光单光子。

做出这项研究的秘诀是什么？李全伟的答案是：交叉学科背景。

李全伟告诉《中国科学报》：“我们的研究可以概括为，一个化学系团队，用量子物理学方法，解决了一个生物学问题。”说完这一长串绕口令，李全伟都忍不住笑了。

其实，在李全伟还未接触量子生物学领域时，他也一度认为物理学和生物学存在鸿沟。他曾不止一次听到物理学者感慨：“生物体系太复杂了，我们搞不定。”也曾听过生物学者自嘲：“没有基础，量子力学太难懂。”

但随着跨学科理解的深入，利用量子理论来研究生命科学，越来越成为物理学和生物学研究的前沿方向。比如这次光合作用研究中的量子光学方法，正是借鉴量子信息学中光子纠缠的底层理论，而后者刚获得了2022年诺贝尔物理学奖。

这项光合作用研究，尤其得益于李全伟的物理学和工程学背景。

本科时，李全伟就读于南京大学物理系。从大二起，他就在功能材料学家祝世宁院士实验室轮转学习——这是国内最好的光学实验室之一，也是李全伟做量子光学研究的起点。

2013年，李全伟以第一名成绩本科毕业后，来到加州大学伯克利分校攻读博士。他的导师正是本次研究的共同作者之一、研制出“光学隐形斗篷”的学术明星张翔。

在张翔实验室的6年多，李全伟慢慢成长为组内“金牌工程师”。从设计搭造实验装置，到写代码跑程序，他能在短短半年内搭建一个“从零到一”的新系统，性能还不输国际顶尖实验室的多年积淀。

有了量子物理学的理论基础，以及多年单光子、双光子实验能力，李全伟与博士后阶段的“老板”Fleming一拍即合。在李全伟加盟后，实验室仅用短短一年半时间，就解决了困扰多年的单光子实验难题。

不过，在李全伟看来，研究太交叉“不一定都是好事”。

他介绍，这次发表在Nature的研究审稿周期长，就是吃了学科太交叉的亏。从2021年8月投稿，到今年6月中旬正式见刊，投稿周期历时近两年，比这项研究的单光子实验耗时更久，这在争分夺秒的生命科学研究中相当罕见。

发稿慢的原因很简单：当一项研究太交叉，Nature编辑很难找到合适的审稿人，而不同领域的审稿人也很难达成共识。

在首次审稿时，两位审稿人就对李全伟团队的研究有截然相反的意见。一位认为，这项研究非常精彩，横跨了量子物理和生物学领域；另一位则认为该研究证明的是众所周知的结论，“结果并不令人意外”。

接下来的几次审稿中，审稿人最长4个半月没有回复，即使团队发邮件催促Nature编辑部，依然一无所获。

在漫长的投稿中，是否要转投其他期刊？这是科研工作者面临的共性问题。一方面，重新投一个期刊，等于把所有流程再走一遍，尤其在交叉学科领域，新的编辑找审稿人一样发愁。另一方面，早些见刊虽然能降低论文被抢发风险，但也会错失顶级刊物带来的长期影响力。

李全伟所在团队选择等待，直到今年6月，他们的耐心终于得到了回报。

李全伟说，做研究和投稿的耐心来自师徒传承。

2013年刚博士入学时，李全伟不算一名特别突出的学生。不同于大部分课题组，他的导师张翔给博士生极大的自由度，这让李全伟得以发挥天马行空的想象力。

在攻读博士的6年里，李全伟全凭兴趣，尝试了大大小小10多项研究，但最终出成果的研究只有寥寥几项。对那时的李全伟来说，学术低谷是一种常态。

印象最深刻的一次失败，发生在博士第三年。入学以来，李全伟把大部分时间和精力都花在一项材料研究上，其间克服了许多困难，也寄托了很高的期待。但随着时间推移，李全伟沮丧地发现，这个项目失败了——他所研究的材料并不具备他所期待的性质。

终于到了汇报进展的日子，李全伟“罚站似的”杵在张翔办公室门口，迟迟不敢敲门。他似乎已经预见到，这扇门后面等待他的是严厉的批评，以及深深的失望。

出乎李全伟意料的是，张翔非但没有批评，反而安慰他说：“没事的，这很正常，咱们组也不是每个研究都能做出来”。听罢，李全伟如释重负。

后来李全伟才知道，导师张翔也曾有过“低谷”期。在做光学隐形斗篷的前5个年头，他被问过最多的问题是，“怎么还没研究出什么东西？”直到2008年，张翔的光学超材料方向的开创性成果被美国《时代》杂志列入当年十大科学发现之一。

接受《中国科学报》采访时，李全伟不止一次提及那些“没做出来”的研究。反思当初走过的“弯路”，他建议，在博士研究初期，即使结果没达到预期，也可以尝试写论文、投稿。这样把科研流程完整走一遍，除了发表论文外，更可以加深对如何做研究的理解。

“不把科研流程‘打通关’，怎么能预见到审稿周期有多长呢？”李全伟笑道。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06121-5

https://doi.org/10.1038/nature05678

好了，关于4轮审稿，耗时2年！90后一作“死磕”终发Nature就讲到这。