Fizycy stworzyli kubit spinowy dla czujników kwantowych na bazie żółtego białka fluorescencyjnego. Czułość czujnika na pole magnetyczne wynosiła 98 pikotesli w temperaturze pokojowej, a czas koherencji wynosił około 16 mikrosekund. Naukowcy wszczepili powstały kubit do komórek embrionalnej ludzkiej nerki bez skracania czasu koherencji i utraty czułości czujnika. Wstępną wersję badania można znaleźć na stronie arXiv.org.
Kubity to nie tylko elementy komputerów kwantowych, ale też czujniki kwantowe, których zasada działania opiera się na interakcji z otoczeniem (np. przy niewielkiej zmianie temperatury czas koherencji i charakterystyka widmowa kubitu ulegają drastycznej zmianie). Dzięki takim czujnikom naukowcy mogą z dużą dokładnością mierzyć pola elektryczne i magnetyczne w skali nano, a także temperatury bliskie zera absolutnego, jednak wykorzystanie czujników kwantowych w naukach biologicznych pozostaje obecnie na poziomie koncepcji.
Najczęściej do sondowania biologicznego badacze wykorzystują spinowe kubity bazujące na wakatach azotowych w diamencie (o kubitach na centrach NV mówiliśmy szerzej w materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”), które są łatwo dostrajane metodami optycznymi i zachowują spójność w temperaturze pokojowej. Jednocześnie kubity nanodiamentowe mają kilka wad, które mają kluczowe znaczenie dla badań biologicznych. Po pierwsze, są duże, a po drugie, są niejednorodne pod względem morfologii, co utrudnia ich znakowanie.
Fizycy ze Stanów Zjednoczonych pod przewodnictwem Petera Maurera (Peter Maurer) z Uniwersytetu w Chicago zaproponowali wykorzystanie kubitu bazującego na białku fluorescencyjnym jako czujnika kwantowego. W tym celu naukowcy wykorzystali żółte białko fluorescencyjne pozyskane z meduzy Aequorea victoria, w którym fotoaktywny organiczny fluorofor znajduje się w stanie metastabilnym i może być wykorzystywany jako spin triplet. Fizycy zainicjowali spin białka za pomocą impulsów optycznych o długości fali 488 nanometrów, a do scharakteryzowania stanu tripletowego zastosowano mikroskopię konfokalną.
Okazało się, że w tej konfiguracji eksperymentu białko znajduje się w stanie spójnym bardzo krótko, co nie jest wystarczające do przeprowadzenia szczegółowych badań. Naukowcy zmienili więc podejście: za pomocą impulsu optycznego o długości fali 912 nanometrów przenieśli kubit ze stanu tripletowego T1 do stanu tripletowego o wyższej energii T2. Czas koherencji tego stanu autorzy pracy zmierzyli za pomocą metody echa spinowego i odkryli, że w zależności od przyłożonego pola magnetycznego czas koherencji wynosił od 140 nanosekund do 16 mikrosekund. Fizycy zademonstrowali również potencjał opracowanego kubitu jako czujnika pola magnetycznego o dokładności 98 pikotesli w temperaturze pokojowej (dla porównania, proton w odległości pięciu nanometrów od kubitu tworzy pole o natężeniu 20 nanotesli), co okazało się możliwe dzięki liniowej czułości kontrastu spinowego na zewnętrzne pole magnetyczne.
Ponadto naukowcy badali możliwość osadzenia stworzonego kubitu w komórkach ssaków, na przykład w komórkach nerki ludzkiego zarodka. Wizualizacja fluorescencyjna wykazała, że białko pozostało zlokalizowane wewnątrz komórek i jednocześnie było wrażliwe na zewnętrzne pole magnetyczne.
Autorzy pracy zauważyli, że wyniki ich badań pozwalają na stworzenie obiecującej platformy dla czujników kwantowych, które można wykorzystać w biologii. Aby jednak uzyskać przewagę nad obecnie stosowanymi technologiami, konieczne jest zastosowanie dodatkowych metod mających na celu wydłużenie czasu koherencji kubitu i jego wrażliwości na pole magnetyczne.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak czujnik kwantowy na bazie diamentu pomógł zmierzyć aktywność neuronalną mózgu w mikroskali.