Fizycy stworzyli spinowy kubit do pomiaru kwantowego, oparty na żółtym białku fluorescencyjnym. Czułość pola magnetycznego czujnika wynosiła 98 pikotesli w temperaturze pokojowej, a czas koherencji około 16 mikrosekund. Naukowcy wszczepili powstały kubit do komórek nerkowych ludzkiego zarodka, nie skracając czasu koherencji ani nie wpływając na czułość czujnika. Preprint badania jest dostępny na stronie arXiv.org.
Kubity to nie tylko komponenty komputerów kwantowych, ale także czujniki kwantowe, których zasada działania opiera się na interakcji z otoczeniem (na przykład niewielka zmiana temperatury radykalnie zmienia czas koherencji i charakterystykę widmową kubitu). Takie czujniki pozwalają naukowcom mierzyć pola elektryczne i magnetyczne w skali nano, a także temperatury bliskie zera absolutnego, z dużą precyzją. Jednak zastosowanie czujników kwantowych w naukach przyrodniczych pozostaje obecnie na poziomie koncepcyjnym.
Najczęściej badacze wykorzystują spinowe kubity oparte na wakatach azotowych w diamencie do czujników biologicznych (kubity oparte na centrach NV omówiliśmy szczegółowo w artykule „Technologie kwantowe. Moduł 4”). Kubity te można łatwo dostroić optycznie i zachowują one spójność w temperaturze pokojowej. Jednak kubity nanodiamentowe mają kilka wad, istotnych dla badań biologicznych: po pierwsze, ich duży rozmiar, a po drugie, niejednorodność morfologiczną, która utrudnia ich znakowanie.
Fizycy ze Stanów Zjednoczonych, pod kierownictwem Petera Maurera z Uniwersytetu Chicagowskiego, zaproponowali wykorzystanie kubitu opartego na białku fluorescencyjnym jako czujnika kwantowego. W tym celu naukowcy wykorzystali żółte białko fluorescencyjne (YFP) wyizolowane z meduzy Aequorea victoria, w którym fotoaktywny organiczny fluorofor występuje w stanie metastabilnym i może być wykorzystany jako spin tripletowy. Fizycy zainicjowali spin białka za pomocą impulsów optycznych o długości fali 488 nanometrów i wykorzystali mikroskopię konfokalną do scharakteryzowania stanu tripletowego.
Okazało się, że w tej konfiguracji eksperymentalnej białko pozostaje spójne przez bardzo krótki czas, który jest niewystarczający do szczegółowych badań. Dlatego naukowcy zmienili swoje podejście: używając impulsu optycznego o długości fali 912 nanometrów, przekształcili kubit ze stanu tripletowego T1 w tryplet o wyższej energii T2. Autorzy zmierzyli czas koherencji tego stanu za pomocą metody echa spinowego i odkryli, że w zależności od przyłożonego pola magnetycznego, czas koherencji wahał się 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 pięć nanometrów od kubitu wytwarza pole o wartości 20 nanotesli), co było możliwe dzięki liniowej wrażliwości kontrastu spinowego na zewnętrzne pole magnetyczne.
Ponadto naukowcy zbadali wykonalność osadzenia utworzonego kubitu w komórkach ssaków, wykorzystując jako przykład komórki nerki zarodka ludzkiego. Obrazowanie fluorescencyjne wykazało, że białko pozostawało zlokalizowane w komórkach i było wrażliwe na zewnętrzne pole magnetyczne.
Autorzy badania zauważyli, że ich wyniki stworzyły obiecującą platformę dla czujników kwantowych o potencjalnych zastosowaniach w biologii. Potrzebne są jednak dodatkowe metody, aby poprawić czas koherencji kubitu i jego czułość na pole magnetyczne, aby uzyskać przewagę nad istniejącymi technologiami.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak diamentowy czujnik kwantowy pomógł zmierzyć aktywność neuronalną mózgu w mikroskali.
