Учёные из Чикагского университета совместно со своими коллегами совершили прорыв в области квантовых технологий, создав инновационный оптически управляемый спиновый кубит на основе генетически кодируемого флуоресцентного белка EYFP. В отличие от традиционных кубитов, реализуемых на твёрдом материале, таких как алмазы или полупроводники, данный лаборантский эксперимент продемонстрировал возможность использования живых молекул для хранения и обработки квантовой информации. Такой подход открывает новые горизонты в интеграции квантовых технологий с биологическими системами и способствует развитию нано-био-информатики.
Сам белок EYFP, являющийся широко известной меткой в клеточной биологии благодаря своей яркой флуоресценции и безопасности, был использован как носитель квантовой информации. Для её хранения белок инициализировали коротким синим лазерным импульсом, переводящим его в возбужденное синглетное состояние. Часть молекул переходила далее в триплетное состояние — долгоживущее с определённой ориентацией спина, что и стало основой для реализации кубитовой системы. Такой триплетный уровень, обладающий высокой стабильностью, служит краткосрочным служебным состоянием для хранения квантовых данных.
Для чтения информации из этого спинового кубита использовали инфракрасный импульс длиной 912 нм, который «открывал» триплетное состояние, позволяя молекуле возвращаться в первоначальный уровень, а возникший задержанный флуоресцентный сигнал служил индикатором конкретного спинового состояния. Этот метод позволил однозначно считывать квантовую информацию по времени и интенсивности сигналов, что впервые подтвердило возможность выполнения квантовых операций на живом биологическом объекте. Управление спинообразованием внутри молекулярной структуры осуществлялось с помощью серии микроволновых сигналов, сформировавших заданную конфигурацию спинов. Такой контроль продемонстрировал точность, необходимую для практического использования, а также открыл путь к внедрению подобных технологий в биомедицину, биофизику и нанотехнологии.
Эксперименты проводились при охлаждении до температуры около 80 К, что позволяло добиться разницы сигналов между двумя спиновыми уровнями до 20% по одному и 10% по другому направлению. Время когерентности, то есть сохранение квантовой информации, достигло 16 микросекунд — это в 15 раз больше, чем при использовании простых схем, что говорит о высокой стабильности системы. Время релаксации (T1) — возвращения системы в исходное состояние — составило 141 микросекунду. Эти показатели свидетельствуют о плотной связке между теоретическими моделями и экспериментальными результатами, подтверждая, что белковый кубит EYFP способен работать достаточно стабильно для проведения квантовых манипуляций на практике.
Оптическая спектроскопия ODMR (Оптическая Микроволновая Спектроскопия Вырезанных Пиков) позволила измерить параметры уровней спина без внешних воздействий и выяснить, что параметры D и E — разность энергии уровней — равны 2,356 ГГц и 0,458 ГГц соответственно. Эти цифры совпадали с теоретическими расчётами и характеризуют энергию расщепления спиновых уровней внутри молекулы в отсутствие магнитных полей. Это свидетельствует о точности моделирования и возможности точного управления квантовыми свойствами белка.
Особое значение имеет демонстрация функционирования квантового кубита в биологических системах. В ходе экспериментов с культурами клеток человека (HEK 293T) и бактериями E. coli удалось добиться управляемого квантового поведения даже при комнатной температуре для бактерий. Концентрация EYFP в клетках HEK достигала приблизительно 11 микромолей, а контраст магнитного резонанса — до 8%. Эти показатели позволяют предположить, что технология обладает потенциалом интеграции в биомедицинские устройства и диагностику, что ранее было практически невозможно с классическими сенсорами.
Несмотря на достигнутые успехи, у новой технологии есть очевидные ограничения. Чувствительность к количеству фотонов, получаемых с одной молекулы за цикл измерения, всё ещё уступает передовым сенсорам на основе нано-объектов, таких как алмазные центры NV. Однако преимущество белка состоит в возможности внедрения в любые клетки и нацеливания прямо к нужным белковым комплексам внутри организма, что значительно расширяет диапазон применения. Это открывает уникальные перспективы для внутриорганной диагностики, картирования магнитных и электрических свойств отдельных молекул, а также для создания новых видов биосенсоров.
Авторы исследования предложили план дальнейшего улучшения данной технологии: увеличение яркости белка, совершенствование оптических методов для получения большего числа фотонов и оптимизация самого белка посредством генной инженерии и направленной эволюции. Эти шаги позволят повысить стабильность, чувствительность и масштабируемость системы, делая её более пригодной для практического использования.
В целом, это первый в мире пример использования генетически кодируемого белка в качестве квантового кубита, способного хранить и передавать информацию, управляемую светом, внутри живых клеток. Хотя на сегодняшний день эта технология ещё далека от внедрения в клиническую практику или нанодатчиков, её потенциал в создании высокоточных внутриорганных сенсоров, картировании магнитных и электрических характеристик на молекулярном уровне очевиден. В будущем белковые кубиты смогут стать мощными инструментами в области биофизики, наномедицины и квантовой биоинформатики, открывая новые горизонты для исследования жизни на фундаментальном уровне и разработка инновационных методов диагностики и лечения.
