Fizycy stworzyli spinowy kubit dla czujników kwantowych oparty na żółtym białku fluorescencyjnym. Czułość czujnika na pole magnetyczne wynosiła 98 pikotesli w temperaturze pokojowej, a jego czas koherencji około 16 mikrosekund. Naukowcy wszczepili powstały kubit do komórek embrionalnej ludzkiej nerki bez skracania czasu koherencji i utraty czułości czujnika. Preprint badania jest dostępny na stronie arXiv.org.
Kubity to nie tylko elementy komputerów kwantowych, ale także 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 z dużą dokładnością, a także temperatury bliskie zera absolutnego. Jednak zastosowanie czujników kwantowych w naukach przyrodniczych pozostaje obecnie na poziomie koncepcyjnym.
Najczęściej do sondowania biologicznego badacze wykorzystują spinowe kubity oparte na wakatach azotowych w diamencie (więcej o kubitach na centrach NV pisaliśmy w materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”), które można łatwo dostroić metodami optycznymi i zachowują one spójność w temperaturze pokojowej. Jednocześnie nanokubity diamentowe mają kilka wad, które są kluczowe dla badań biologicznych: po pierwsze, są duże, a po drugie, mają niejednorodną morfologię, co utrudnia ich znakowanie.
Fizycy z USA pod kierownictwem Petera Maurera (Peter Maurer) z Uniwersytetu Chicagowskiego zaproponowali wykorzystanie kubitu opartego 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 wykorzystany jako spin tripletowy. Fizycy zainicjowali spin w białku za pomocą impulsów optycznych o długości fali 488 nanometrów, a do scharakteryzowania stanu tripletowego wykorzystano mikroskopię konfokalną.
Okazało się, że w tej konfiguracji eksperymentu białko jest w stanie koherentnym przez bardzo krótki czas, który nie wystarcza do szczegółowych badań. Dlatego naukowcy zmienili 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 którego to stanu został zmierzony przez autorów pracy 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 z dokładnością 98 pikotesli w temperaturze pokojowej (dla porównania, proton w odległości pięciu nanometrów od kubitu wytwarza pole o wartości 20 nanotesli), co okazało się możliwe dzięki liniowej wrażliwości kontrastu spinowego na zewnętrzne pole magnetyczne.
Ponadto naukowcy badali możliwość osadzenia utworzonego kubitu w komórkach ssaków, na przykład w komórkach nerki ludzkiego zarodka. Wizualizacja fluorescencyjna wykazała, że białko pozostało zlokalizowane wewnątrz komórek, a jednocześnie było wrażliwe na zewnętrzne pole magnetyczne.
Autorzy pracy zauważyli, że ich wyniki umożliwiły stworzenie obiecującej platformy dla czujników kwantowych, które mogą znaleźć zastosowanie w biologii. Jednak, aby uzyskać przewagę nad istniejącymi technologiami, konieczne jest zastosowanie dodatkowych metod w celu zwiększenia czasu koherencji kubitu i jego wrażliwości na pole magnetyczne.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak diamentowy czujnik kwantowy pomógł zmierzyć aktywność neuronalną mózgu w mikroskali.
