Fizycy stworzyli spinowy kubit dla czujników kwantowych oparty na żółtym białku fluorescencyjnym. 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. 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 (np. 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, ale wykorzystanie czujników kwantowych w naukach o życiu pozostaje dziś na poziomie koncepcji.
Najczęściej do sondowania biologicznego badacze wykorzystują spinowe kubity oparte na wakatach azotowych w diamencie (o kubitach na centrach NV mówiliśmy bardziej szczegółowo w materiale „Technologie kwantowe. Moduł 4”), które są łatwo dostrajane metodami optycznymi i zachowują spójność w temperaturze pokojowej. Jednocześnie nanokubity diamentowe mają kilka wad, które są krytyczne dla badań biologicznych: po pierwsze, są duże, a po drugie, są niejednorodne pod względem morfologii, co utrudnia ich znakowanie.
Fizycy z USA pod przewodnictwem Petera Maurera (Peter Maurer) z University of Chicago zasugerowali użycie kubitu opartego na białku fluorescencyjnym jako czujnika kwantowego. W tym celu naukowcy wykorzystali żółte białko fluorescencyjne uzyskane z meduzy Aequorea victoria, w którym fotoaktywny organiczny fluorofor znajduje się w stanie metastabilnym i może być używany jako spin triplet. Fizycy zainicjowali spin w białku 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 koherentnym przez bardzo krótki czas, co 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 trypletu o wyższej energii T2, czas koherencji którego stanu autorzy pracy zmierzyli metodą 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 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 ludzkich komórkach embrionalnych nerek. Wizualizacja fluorescencyjna wykazała, że białko pozostało 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 być wykorzystywane w biologii. Jednak konieczne jest zastosowanie dodatkowych metod w celu zwiększenia czasu koherencji kubitu i jego wrażliwości na pole magnetyczne, aby uzyskać przewagę nad istniejącymi technologiami.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak czujnik kwantowy na bazie diamentu pomógł zmierzyć aktywność neuronalną mózgu w mikroskali.