Учёные из Чикагского университета и их коллеги реализовали новый, оптически управляемый спиновый кубит — не на твёрдом материале, как в алмазах или полупроводниках, а на генетически кодируемом флуоресцентном белке EYFP. В этом белке удалось создать двухуровневую квантовую систему, использующую одно из долгоживущих состояний молекулы — триплетное состояние — в котором можно управлять спином электронов.
В работе использовался усовершенствованный вариант белка EYFP, хорошо известного в клеточной биологии как безопасная и яркая светящаяся метка. Белок инициализировали коротким синим лазерным импульсом, который переводил его в возбужденное синглетное состояние; часть молекул переходила затем в триплет — долгоживущее состояние с определённой ориентацией спина.
Для считывания информации из этого кубита применяли инфракрасный импульс (912 нм), который «открывал» триплет для быстрого возвращения в нормальное состояние. В этот момент возникал сигнал задержанной флуоресценции, он был чётко отделён по времени и интенсивности от обычного свечения белка и позволял считывать спиновое состояние.
Управлять спином внутри молекулы удалось с помощью ряда микроволновых последовательных сигналов, которые задают нужную конфигурацию. Таким образом авторы показали возможность целенаправленного управления и чтения квантового состояния в белковой молекуле.
В ряде лабораторных опытов при температуре около 80 К удалось получить разницу сигнала между двумя спиновыми уровнями до 20% по одному направлению и 10% по другому. Когерентность, то есть время, в течение которого кубит хранит квантовую информацию, при специальных последовательностях управления достигала 16 микросекунд — это в 15 раз больше, чем при простейших схемах. Время релаксации (T1), — возвращения в исходное состояние, составило 141 микросекунду. Эти значения доказывают: белковый кубит EYFP может работать достаточно стабильно для квантовых манипуляций на практике.
Параметры разделения спиновых уровней в отсутствии поля (D и E), измеренные с помощью оптической спектроскопии ODMR, совпали с численными расчётами и составили 2,356 ГГц и 0,458 ГГц соответственно. Эти числа определяют, насколько сильно уровни энергии в молекуле отличаются друг от друга даже без внешнего воздействия.
Особое внимание авторы уделили возможности применения белкового кубита внутри живых систем. В опытах с культурами клеток человека (HEK 293T) и бактериями E. coli удалось продемонстрировать управляемое квантовое поведение — в том числе при комнатной температуре для бактерий. В культуре HEK концентрация EYFP составляла около 11 микромолей, и сигналы магнитного резонанса фиксировались с контрастом до 8% даже при сильном фоновом свечении клеток, что позволяет использовать метод для тонкой диагностики внутри биологической среды.
Реальные ограничения новой технологии — чувствительность и количество фотонов, которые можно получить с одной молекулы за цикл измерения. Эти параметры уступают лучшим сенсорам на основе NV-центров алмаза, однако белок выигрывает возможностью внедрения в любые клетки и нацеливания непосредственно к нужным белковым комплексам внутри организма.
Авторы подробно описывают потенциальные шаги для улучшения: повышение яркости, усовершенствование оптики, получение большего числа фотонов и оптимизация самого белка за счёт направленной эволюции и генной инженерии.
Впервые генетически кодируемый белок доказал возможность работы как квантовый кубит — хранить и передавать информацию, управляемую светом, в живой клетке. Сейчас технология ещё не готова для клиник или «нанодатчиков», но уже открывает путь к картированию магнитных и электрических свойств на уровне отдельных молекул прямо в клетке, что ранее было недоступно. В перспективе белковые кубиты могут стать сенсорами нового поколения для биофизики, биомедицины и нанодиагностики, давая невиданные ранее возможности для анализа и исследований жизни на квантовом уровне.