Ученые совершили прорыв на стыке квантовой физики и биологии, превратив флуоресцентные белки, производимые такими морскими организмами, как медузы и кораллы, в функциональные биологические кубиты. Эти биологические квантовые биты могут стать основой для сверхчувствительных квантовых датчиков, предназначенных для исследования нанометровых процессов внутри живых клеток. Данное достижение открывает путь к принципиально новым подходам в биологическом зондировании на наноуровне и может найти применение в квантовых технологиях.
В отличие от классических битов, кубиты, или квантовые биты, способны существовать в состоянии суперпозиции, то есть одновременно в двух состояниях. Это свойство теоретически обещает огромный прирост вычислительной мощности, а в сфере сенсорики позволяет создавать нанометровые зонды, квантовое состояние которых можно точно контролировать и измерять, обеспечивая исключительную чувствительность. Однако использование таких сенсоров в биологических науках до сих пор было серьезно ограничено. Существующие квантовые платформы, например, квантовые точки, часто имеют несовместимую с живыми системами химию и размеры, а также требуют для стабильной работы экстремально изолированных условий, близких к абсолютному нулю, в то время как биологические системы существуют в теплой и «шумной» среде.
Чтобы преодолеть эти фундаментальные противоречия, исследователи из Чикагского университета предложили революционный подход: использовать в качестве кубитов сами флуоресцентные белки, уже находящиеся внутри клеток. Идея заключалась не в том, чтобы замаскировать стандартный квантовый сенсор для проникновения в биологическую систему, а в том, чтобы взять саму биологическую систему и преобразовать ее в кубит. Флуорофоры этих белков, отвечающие за свечение, обладают метастабильным триплетным состоянием, которое можно использовать в качестве квантового бита, где молекула существует в нескольких состояниях одновременно, пока не произойдет ее наблюдение или внешнее возмущение.
Для реализации этой концепции ученые разработали конфокальный микроскоп, который с помощью лазерных импульсов позволил оптически контролировать спиновое состояние модифицированного желтого флуоресцентного белка (EYFP). Исследования проводились на очищенном белке, а также в клетках человеческой почки и бактерий Escherichia coli. Специальная лазерная импульсная система позволила инициировать спиновое состояние в белке и затем считать его. В результате белок вел себя как функциональный кубит в течение приблизительно 16 микросекунд до коллапса триплетного состояния. Хотя это время значительно меньше, чем у других квантовых платформ, таких как азото-замещенные вакансии в алмазе, данный эксперимент впервые позволил напрямую измерить квантовые свойства внутри живых систем.
Несмотря на многообещающий потенциал, технология пока находится на ранней стадии разработки и имеет ряд серьезных ограничений. Для эффективного управления спиновым состоянием белок приходилось охлаждать до температуры жидкого азота. Хотя квантовое состояние также наблюдалось и в бактериальных клетках при комнатной температуре, в этих условиях происходил быстрый коллапс спина. Кроме того, чувствительность биологического кубита в качестве квантового сенсора оказалась ниже, чем у полупроводниковых датчиков на основе дефектов в алмазе. Тем не менее, это открытие не только открывает новые горизонты для квантовой сенсорики в живых системах, но и предлагает принципиально новый подход к проектированию квантовых материалов.