Белковые кубиты могут производиться клетками естественным образом, показали исследователи из Чикагского университета. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Исследователи из Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета впервые получили кубиты на основе белков живых клеток. Прорыв выглядит парадоксальным, поскольку биология и квантовые технологии традиционно считаются несовместимыми. Живые системы функционируют в теплой, шумной среде с постоянным движением, в то время как квантовые технологии обычно требуют экстремальной изоляции и температур, близких к абсолютному нулю.
Вместо того, чтобы брать обычный квантовый датчик и пытаться замаскировать его для внедрения в биологическую систему, мы изучали возможность использовать саму биологическую систему и превратить ее в кубит.
Дэвид Авшалом, руководитель проекта
В работе использовали генетически кодируемые флуоресцентные белки. Их превращение в квантовые сенсоры позволяет изучать процессы на значительно более глубоком и точном уровне. В отличие от искусственных наноматериалов, белковые кубиты создаются внутри клеток и позиционируются с атомарной точностью.
Ученые показали, что усовершенствованный желтый флуоресцентный белок (EYFP) обладает метастабильным «триплетным состоянием», спиновые свойства которого можно контролировать. Это состояние можно рассматривать как временную модель удержания, в которой энергия сохраняется достаточно долго, чтобы исследователи могли задействовать магнитный спин электрона и рассматривать его как кубит.
При помощи лазерных импульсов исследователи добились триггерного считывания со спиновым контрастом до 20% при криогенных температурах. Микроволновые поля обеспечили когерентную манипуляцию, а время спиновой когерентности увеличилось примерно до 16 микросекунд при динамической развязке, что сопоставимо с другими системами молекулярных кубитов.
Пока белковые кубиты не превосходят по чувствительности лучшие современные квантовые сенсоры, создаваемые из дефектов алмаза. Но их способность к работе в живых системах открывает возможность наблюдать биологические процессы на квантовом уровне.
В будущем такие кубиты могут применяться в наномасштабной МРТ, позволяя изучать атомную структуру клеточных механизмов, сворачивание белков, активность ферментов и ранние признаки заболеваний с беспрецедентной точностью. Это сулит новые методы медицинской диагностики и фундаментальных биологических исследований.
