Учёные из Чикагского университета в сотрудничестве с коллегами из других исследовательских центров достигли важного прорыва в области квантовых технологий, реализовав первый в мире оптически управляемый спиновый кубит, основанный на генетически кодируемом белке. В отличие от традиционных квантовых систем, таких как алмазы или полупроводники, новая разработка использует флуоресцентный белок EYFP — широко известный в биологии как безопасный и яркий маркер — для создания двухуровневой квантовой системы. В этой системе использовано долгоживущее триплетное состояние молекулы, которое служит активным уровнем для хранения квантовой информации.
Белок EYFP был модифицирован и использовался в качестве квантового носителя благодаря своему потенциалу к инициализации, управлению и считыванию спиновых состояний при помощи оптических и микроволновых сигналов. В качестве первого шага белок активировали коротким синим лазерным импульсом, что переводило его в возбужденное состояние. Часть молекул затем переходила в триплетное состояние, где сохранялись устойчивые ориентации спина. Для считывания информации применялся инфракрасный импульс длиной 912 нм, способный «открывать» триплетное состояние для быстрого возвращения к исходной конфигурации, что сопровождалось появлением задержанной флуоресценции. Этот сигнал был четко отделим по времени и интенсивности от обычного свечения белка, что позволяло точно определять состояние кубита.
Управление спином внутри молекулы осуществлялось через последовательность микроволновых сигналов, задающих необходимую конфигурацию. Такие подходы позволили продемонстрировать высокоточные контроль и регистрацию квантовых состояний на молекулярном уровне. В лабораторных условиях при температуре около 80 К удалось добиться значительной разницы сигналов между двумя спиновыми уровнями, достигающей до 20% по одному направлению и 10% по другому. Впервые зафиксировано, что время когерентности — момента, в который кубит сохраняет квантовую информацию — достигало 16 микросекунд, что в 15 раз превышает показатели простых схем управления. Время релаксации (T1), то есть возвращение молекулы к исходному состоянию, составило 141 микросекунду, что свидетельствует о достаточно высокой стабильности и перспективности использования белка EYFP в роли квантового бита.
Особое значение имеет измерение параметров разделения спиновых уровней (D и E) с помощью оптической спектроскопии ODMR. Полученные числа — 2,356 ГГц и 0,458 ГГц — совпали с теоретическими моделями, что подтверждает точность конструкции и понимания системы. Эти параметры определяют энергетические различия спинов в молекуле без внешнего воздействия, что важно для точного управления и манипуляций.
Важным аспектом исследований стала демонстрация возможности применения белковых кубитов внутри живых клеток. В экспериментах с культурами человеческих клеток (HEK 293T) и бактерий E. coli удалось продемонстрировать управляемое квантовое поведение даже при комнатной температуре для бактерий и при умеренном охлаждении — для эвидиных клеток. При этом концентрация EYFP в клетках HEK достигала 11 микромолей, а контраст сигналов магнитного резонанса оставался достаточно высоким — около 8%, несмотря на наличие сильного фона из-за свечения клеточной среды. Это открывает широкие возможности для интеграции квантовых белковых систем в биомедицинскую диагностику, биофизические исследования и нанонауки.
Несмотря на значительные достижения, текущие ограничения связаны с чувствительностью системы и количеством фотонов, получаемых с одной молекулы за цикл измерения. В сравнении с более развитыми сенсорами на базе NV-центров алмаза, белковые кубиты уступают по этим параметрам, однако универсальность внедрения и возможность целенаправленного нацеливания внутри клетки делают их перспективным инструментом для исследований на квантом уровне в живых организмах.
Авторы работы неоднократно отмечают важность дальнейших шагов по улучшению системы, включая повышение яркости, оптимизацию оптических методов, увеличение числа получаемых фотонов и совершенствование белка с помощью методов генной инженерии и направленной эволюции. Это позволит создавать более стабильные, чувствительные и практичные квантовые белковые устройства.
Этот подход — не только теоретическая новизна, но и практический прорыв, поскольку впервые показано, что генетически кодируемый белок способен выполнять роль квантового бита, при этом оставаясь частью живых клеток. В то время как технология еще не готова для внедрения в клиническую практику или массовых сенсорных систем, она уже открывает новые горизонты для картирования магнитных, электрических и других физических свойств на молекулярном уровне внутри клеток. Перспективы развития включают создание миниатюрных квантовых сенсоров следующего поколения для медицины, нанобиологии и нанотехнологий, способных проводить неинвазивные исследования живых систем с невиданной ранее точностью и детализацией. В конечном итоге эти исследования могут привести к революции в понимании квантовых процессов в биологических системах и разработки новых методов диагностики, терапии и биоинженерии, основанных на использовании генетически кодируемых квантовых элементов.