Исследователи добились значительного прогресса на пересечении квантовой физики и биологии, преобразовав флуоресцентные белки, производимые морскими организмами, например медузами и кораллами, в функциональные биологические кубиты. Данные биологические квантовые биты способны послужить основой для создания высокочувствительных квантовых датчиков, предназначенных для изучения нанометровых процессов внутри живых клеток. Это достижение открывает возможности для разработки принципиально новых методов биологического зондирования на наноуровне и может быть использовано в квантовых технологиях.
В отличие от обычных битов, кубиты, или квантовые биты, обладают способностью находиться в состоянии суперпозиции, что означает одновременное нахождение в двух состояниях. Данное свойство потенциально открывает путь к значительному увеличению вычислительной мощности, а в области сенсорики позволяет разрабатывать нанометровые зонды, квантовое состояние которых можно точно контролировать и измерять, что обеспечивает выдающуюся чувствительность. Однако применение таких сенсоров в биологических исследованиях до настоящего времени было существенно затруднено. Используемые квантовые платформы, такие как квантовые точки, нередко характеризуются химическими свойствами и размерами, не подходящими для работы с живыми организмами, а также нуждаются в поддержании стабильности в условиях, близких к абсолютному нулю, в то время как биологические системы функционируют в теплой и сложной среде.
Для решения этих основополагающих противоречий ученые из Чикагского университета разработали новаторский метод: они предлагают использовать в качестве кубитов флуоресцентные белки, которые уже присутствуют внутри клеток. Вместо того чтобы адаптировать обычный квантовый сенсор для работы в биологической системе, предлагается трансформировать саму биологическую систему в кубит. Флуорофоры, отвечающие за свечение этих белков, обладают метастабильным триплетным состоянием, которое можно использовать в качестве квантового бита. В этом случае молекула существует в нескольких состояниях одновременно, до момента ее наблюдения или воздействия внешних факторов.
Для воплощения этой идеи ученые создали конфокальный микроскоп, с помощью которого лазерные импульсы позволили проводить оптическое управление спиновым состоянием модифицированного желтого флуоресцентного белка (EYFP). Исследования были проведены с использованием очищенного белка, а также в клетках человеческой почки и бактериях Escherichia coli. Специально разработанная лазерная импульсная система обеспечила возможность запуска спинового состояния в белке и последующего его измерения. В итоге белок демонстрировал свойства функционального кубита в течение примерно 16 микросекунд до разрушения триплетного состояния. Несмотря на то, что это время существенно короче, чем у других квантовых платформ, например, азото-замещенных вакансий в алмазе, данный эксперимент впервые позволил непосредственно измерить квантовые характеристики внутри живых организмов.
Несмотря на перспективные возможности, технология все еще находится в начальной фазе разработки и сталкивается с определенными трудностями. Для поддержания спинового состояния молекул требовалось охлаждение до температуры, соответствующей жидкому азоту. Хотя квантовое состояние также регистрировалось в бактериальных клетках при комнатной температуре, в этих условиях спин быстро разрушался. К тому же, чувствительность биологического кубита, используемого в качестве квантового сенсора, оказалась ниже, чем у полупроводниковых датчиков, основанных на дефектах в алмазе. Однако, это открытие не только расширяет возможности квантовой сенсорики в биологических системах, но и предлагает инновационный метод создания квантовых материалов.