Fizycy stworzyli kubit spinowy do czujników kwantowych w oparciu o żółte białko fluorescencyjne. 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 nerki ludzkiej, nie skracając czasu koherencji i nie tracąc czułości czujnika. Przedruk 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 (np. przy niewielkiej zmianie temperatury czas koherencji i charakterystyka widmowa kubitu zmieniają się drastycznie). Czujniki takie pozwalają naukowcom mierzyć z dużą dokładnością pola elektryczne i magnetyczne w skali nano, a także temperatury bliskie zera absolutnego, jednak zastosowanie czujników kwantowych w naukach przyrodniczych pozostaje dziś na poziomie koncepcji.
Najczęściej do sondowań biologicznych badacze wykorzystują kubity spinowe oparte na wakatach azotu w diamencie (o kubitach na centrach NV mówiliśmy szerzej w materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”), które łatwo dostrajają się metodami optycznymi i zachowują spójność w temperaturze pokojowej. Jednocześnie kubity nanodiamentowe mają kilka wad, które są krytyczne dla badań biologicznych: po pierwsze, są duże, a po drugie, mają niejednorodną morfologię, co utrudnia ich etykietowanie.
Fizycy z USA pod przewodnictwem Petera Maurera (Peter Maurer) z Uniwersytetu w Chicago zaproponowali zastosowanie kubitu opartego na białku fluorescencyjnym jako czujnika kwantowego. W tym celu naukowcy wykorzystali żółte białko fluorescencyjne uzyskane z meduzy Aequorea victoria, w którym fotoaktywny fluorofor organiczny jest w stanie metastabilnym i może zostać wykorzystany jako triplet spinowy. Fizycy zainicjowali spin białka za pomocą impulsów optycznych o długości fali 488 nanometrów, a do scharakteryzowania stanu trypletowego wykorzystano mikroskopię konfokalną.
Okazało się, że w tej konfiguracji doświadczenia białko znajduje się w stanie koherentnym przez bardzo krótki czas, co nie jest wystarczające do szczegółowych badań. Dlatego naukowcy zmienili podejście: za pomocą impulsu optycznego o długości fali 912 nanometrów przenieśli kubit ze stanu trypletowego T1 do trypletu T2 o wyższej energii, którego czas koherencji mierzono metodą echa spinowego i odkryli, że w zależności od przyłożonego pola magnetycznego czas koherencji wynosił około 140 nanosekund do 16 mikrosekund. Fizycy wykazali także potencjał opracowanego kubitu jako czujnika pola magnetycznego z dokładnością do 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 wrażliwości kontrastu spinowego na zewnętrzne pole magnetyczne.
Ponadto naukowcy badali możliwość osadzenia powstałego kubitu w komórkach ssaków, na przykład ludzkich embrionalnych komórkach nerek. Wizualizacja fluorescencyjna wykazała, że białko pozostaje zlokalizowane wewnątrz komórek i jednocześnie wrażliwe na zewnętrzne pole magnetyczne.
Autorzy pracy zauważyli, że ich wyniki umożliwiły stworzenie obiecującej platformy dla czujników kwantowych, które mogą znaleźć zastosowanie w biologii. Aby uzyskać przewagę nad istniejącymi technologiami, konieczne jest jednak zastosowanie dodatkowych metod zwiększających czas koherencji kubitu i jego czułość na pole magnetyczne.
O tym, jak diamentowy czujnik kwantowy pomógł zmierzyć aktywność neuronalną mózgu w mikroskali, pisaliśmy wcześniej.