Fizycy stworzyli kubit spinowy do pomiaru kwantowego na bazie żółtego białka fluorescencyjnego. Czułość czujnika na pole magnetyczne wynosiła 98 pikotesli w temperaturze pokojowej, a czas koherencji wynosił około 16 mikrosekund. Naukowcy wprowadzili powstały kubit do komórek nerkowych zarodka ludzkiego bez skracania czasu koherencji i utraty czułości czujnika. Preprint badania jest dostępny na stronie arXiv.org.
Kubity to nie tylko elementy komputerów kwantowych, ale też czujniki kwantowe, których zasada działania opiera się na interakcji z otoczeniem (na przykład przy niewielkiej zmianie temperatury czas koherencji i charakterystyka widmowa kubitu ulegają drastycznej zmianie). Takie czujniki pozwalają naukowcom mierzyć pola elektryczne i magnetyczne w skali nano, a także temperatury bliskie zera absolutnego, z dużą dokładnością, ale zastosowanie czujników kwantowych w naukach biologicznych jak dotąd pozostaje na poziomie koncepcyjnym.
Najczęściej do wykrywania biologicznego badacze wykorzystują spinowe kubity oparte na wakatach azotowych w diamencie (więcej o kubitach na centrach NV powiedzieliśmy w materiale „Quantum Technologies. Module 4”), które są łatwo dostrajane metodami optycznymi i zachowują spójność w temperaturze pokojowej. Jednak kubity nanodiamentowe mają kilka wad, które mają kluczowe znaczenie dla badań biologicznych. Po pierwsze, są duże, a po drugie, mają niejednorodną morfologię, co utrudnia ich znakowanie.
Fizycy ze Stanów Zjednoczonych, pod przewodnictwem Petera Maurera z Uniwersytetu w Chicago, zaproponowali wykorzystanie kubitu bazującego na białku fluorescencyjnym jako czujnika kwantowego. Aby to zrobić, naukowcy wykorzystali żółte białko fluorescencyjne uzyskane z meduzy Aequorea victoria, w którym fotoaktywny organiczny fluorofor znajduje się w stanie metastabilnym i może być stosowany jako spin triplet. Fizycy zainicjowali spin białka za pomocą impulsów optycznych o długości fali 488 nanometrów i zastosowali mikroskopię konfokalną do scharakteryzowania stanu tripletowego.
Okazało się, że w tej konfiguracji eksperymentalnej białko znajduje się w stanie spójnym bardzo krótko, co nie wystarcza do 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, którego czas koherencji autorzy pracy zmierzyli metodą echa spinowego i stwierdzili, że w zależności od przyłożonego pola magnetycznego czas koherencji wynosił od 140 nanosekund do 16 mikrosekund. Fizycy pokazali również potencjał opracowanego kubitu jako czujnika pola magnetycznego o dokładności 98 pikotesli w temperaturze pokojowej (dla porównania, proton oddalony o pięć nanometrów od kubitu wytwarza pole o natężeniu 20 nanotesli), co było możliwe dzięki liniowej czułości kontrastu spinowego na zewnętrzne pole magnetyczne.
Ponadto naukowcy badali możliwość osadzenia stworzonego kubitu w komórkach ssaków, wykorzystując jako przykład komórki ludzkiej embrionalnej nerki. Badanie fluorescencyjne wykazało, że białko pozostaje zlokalizowane wewnątrz komórek i jest wrażliwe na zewnętrzne pole magnetyczne.
Autorzy pracy zauważyli, że wyniki ich badań pozwoliły im na stworzenie obiecującej platformy dla czujników kwantowych, które mogą znaleźć zastosowanie w biologii. Jednakże, aby uzyskać przewagę nad obecnymi technologiami, konieczne jest zastosowanie dodatkowych metod w celu wydłużenia czasu koherencji kubitu i jego wrażliwości na pole magnetyczne.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak czujnik kwantowy na bazie diamentu pomógł zmierzyć aktywność neuronalną w mózgu w mikroskali.