Учёные из престижного Чикагского университета и их международные коллеги достигли значительного прорыва в области квантовых технологий, создав уникальный оптически управляемый спиновый кубит на основе живого белка EYFP — жёлтого флюоресцентного белка, широко используемого в биологии для маркировки и отслеживания клеточных структур. В отличие от традиционных методов, использующих твёрдые материалы, такие как алмазы или полупроводники, новые разработки основаны на генно-инженерном подходе, что позволяет интегрировать квантовые системы непосредственно в биологические среды.
Основой исследовательской работы стал усовершенствованный белок EYFP, которому удалось придать возможность сохранять и управлять спином электронов в долгоживущем триплетном состоянии. Для инициализации состояния молекулы использовали короткий синий лазерный импульс, который возбуждал белок, переводя его в синглетное состояние — возбужденное энергетическое состояние. В процессе часть молекул переходила в триплетное состояние, в котором спиновое ориентационное направление сохранялось длительное время, что создало основу для хранения квантовой информации.
Для считывания спинового состояния применялся инфракрасный лазерный импульс с длиной волны около 912 нм. Этот импульс «открывал» триплетное состояние для быстрого возвращения к исходной форме белка, в результате чего возникал сигнал задержанной флуоресценции. Анализ времени и интенсивности этого сигнала позволял точно определить состояние спина внутри молекулы, что стало важным шагом в управлении квантовой информацией на био-молекулярном уровне.
Управление спиновыми конфигурациями в молекуле осуществлялось путём последовательных микроволновых импульсов, задающих нужный порядок и параметры сигналов. Такой подход свидетельствует о возможности целенаправленного манипулирования квантовыми состояниями в биологических молекулах, что важно для реализации квантовых вычислений и сенсорных систем на базе живых образцов.
В рамках лабораторных экспериментов при температурах около 80 К учёные смогли зафиксировать разницу сигнала между двумя спиновыми уровнями, достигающую до 20% по одному направлению и 10% по другому. Время когерентности — то есть продолжительность, в течение которой кубит сохраняет квантовую информацию — достигло 16 микросекунд, что в 15 раз превышает показатели при простых схемах управления. Время релаксации (T1), характерное для возвращения системы к равновесному состоянию, составило 141 микросекунду. Эти результаты свидетельствуют о практически приемлемой стабильности, что весьма важно для использования белковых кубитов в реальных квантовых системах.
Разделение спиновых уровней внутри молекулы без внешних воздействий — параметры D и E, измеренные с помощью оптической спектроскопии ODMR — составили 2,356 ГГц и 0,458 ГГц соответственно, что соответствует теоретическим расчётам и подтверждает точность модели. Эти значения определяют энерго-разделения, важные для точного управления состояниями.
Особое значение приобретает возможность применения белкового кубита внутри живых организмов. В экспериментах с культурами человеческих клеток (HEK 293T) и бактериями E. coli удалось продемонстрировать управляемое квантовое поведение, в том числе при комнатной температуре для бактерий. В клеточных культурах концентрация EYFP достигала около 11 микромолей, а сигналы магнитного резонанса фиксировались с контрастом до 8%, несмотря на высокий уровень фона и свечения. Такой результат говорит о потенциале использования данной технологии для тонкой диагностики и наблюдения за биохимическими процессами в реальных условиях, что ранее было недопустимо без сложных и дорогих систем.
Говоря о практических ограничениях, стоит отметить чувствительность системы и ограниченное количество фотонов, получаемых с одной молекулы за цикл измерения. Пока эти параметры уступают современным сенсорам на основе алмазных NV-центров, однако белковые кубиты превосходят их возможностью внедрения в любые клетки и даже прицельной направленностью на конкретные белковые комплексы внутри организма. Это открывает перспективы для разработки новых биосенсоров и наноточечных устройств, способных работать внутри живых тканей.
Авторы исследования также предложили пути дальнейшего совершенствования технологии, включая повышение яркости и фотонной отдачи белка, доработку оптической системы для увеличения количества извлекаемых фотонов, а также направленную эволюцию и генную инженерную модификацию белков для достижения оптимальных характеристик стабильности и управляемости. Эти шаги позволят значительно расширить функциональные возможности белкового квантового устройства, сделав его более надёжными и практическими.
Первыми демонстрациями было подтверждено, что генно-кодируемый белок может работать как полноценный квантовый кубит — средство для хранения, передачи и обработки информации, управляемой светом, в контексте живых клеток. В ближайшие годы эта технология еще не сможет заменить существующие квантовые устройства, используемые в основе квантовых компьютеров или датчиков высокого класса, однако уже сейчас она открывает новые горизонты для квантовой биомедицины, нанодиагностики и исследований жизни на уровне отдельных молекул.
Эта новаторская работа знаменует собой важный шаг к интеграции квантовых технологий с биологическими системами, что обещает революцию в областях медицины, биофизики и нанотехнологий. В перспективе белковые кубиты могут стать частью новой эпохи бионанных устройств и высокоточных сенсоров, способных выполнять диагностику и контроль процессов в живых организмах с невиданной ранее точностью и масштабом.