Фізики створили спіновий кубит для квантової сенсорики на основі флуоресцентного жовтого білка. Чутливість датчика до магнітного поля склала 98 пікотесла при кімнатній температурі, а час його когерентності приблизно 16 мікросекунд. Кубит, що вийшов, вчені впровадили в клітини ембріональної нирки людини без зменшення часу когерентності і втрати чутливості сенсора. Препринт дослідження є доступним на arXiv.org.
Кубіти це не лише складові частини квантових обчислювачів, але й квантові сенсори, принцип роботи яких заснований на взаємодії з навколишнім середовищем (наприклад, при малій зміні температури різко змінюється час когерентності та спектральні характеристики кубіту). Такі датчики дозволяють вченим з високою точністю виміряти наномасштабні електричні та магнітні поля, а також температури, близькі до абсолютного нуля, проте застосування квантових сенсорів у науках про життя на сьогоднішній день залишається на рівні концепцій.
Найчастіше для біологічного зондування дослідники використовують спінові кубити на основі азотних вакансій в алмазі (докладніше про кубити на NV-центрах ми розповіли у матеріалі «Квантові технології. Модуль 4»), які легко налаштовуються оптичними методами та зберігають когерентність при кімнатній температурі. При цьому наноалмазні кубити страждають від кількох недоліків, критичних для біологічних досліджень: по-перше, це великі розміри, по-друге, неоднорідність з морфології, яка ускладнює їх маркування.
Фізики зі США під керівництвом Пітера Маурера (Peter Maurer) з Університету Чикаго запропонували використовувати кубіт на основі флуоресцентного білка як квантовий сенсор. Для цього вчені використовували отриманий з медузи Aequorea victoria жовтий флуоресцентний білок, в якому фотоактивний органічний флуорофор знаходиться в метастабільному стані і може бути використаний як спіновий триплет. Спин у білку фізики ініціалізували за допомогою оптичних імпульсів на довжині хвилі 488 нанометрів, а для характеризації стану триплетного застосували конфокальну мікроскопію.
Виявилося, що в такій конфігурації експерименту білок знаходиться в когерентному стані дуже короткий час, якого не вистачає для детального вивчення. Тому вчені змінили підхід: оптичним імпульсом на довжині хвилі 912 нанометрів вони перевели кубит з триплетного стану T1 до більш високоенергетичного триплету T2, час когерентності якого стану автори роботи виміряли методом спінової луни та з'ясували, що залежно від прикладеного магнітного поля час когерентності становив від 140 наносекунд до 16 мікросекунд. Фізики також продемонстрували потенціал розробленого кубіту як датчик магнітного поля з точністю в 98 пікотесла при кімнатній температурі (для порівняння протон на відстані п'яти нанометрів від кубіту створює поле в 20 нанотесла), що виявилося можливим завдяки лінійній чутливості спинового контрасту до зовнішнього магнітного поля.
Крім цього, вчені вивчили можливість вбудовування створеного кубіту в клітини ссавців на прикладі клітин ембріональних нирок людини. Флуоресцентна візуалізація показала, що білок залишився локалізованим усередині клітин та при цьому чутливим до зовнішнього магнітного поля.
Автори роботи наголосили, що їхні результати дозволили створити перспективну платформу для квантових датчиків, які можна використати у біології. Однак необхідно використовувати додаткові методи для підвищення часу когерентності кубіту та його чутливості до магнітного поля, щоб досягти переваги над існуючими технологіями.
Про те, як квантовий сенсор на основі алмазу допоміг виміряти нейронну активність мозку на мікромасштабі, ми писали раніше.