Wissenschaftler der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben ein Protein, das in lebenden Zellen vorkommt, erfolgreich zu einem Quantenbit, einem sogenannten Qubit, umfunktioniert. Diese Studie, die am 29. August 2025 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Integration von Quantentechnologie und biologischen Systemen dar.
Die neuartigen proteinbasierten Qubits können genetisch kodiert und somit direkt von den Zellen selbst produziert werden. Dies ermöglicht ihren Einsatz unter den warmen und dynamischen Bedingungen biologischer Umgebungen, im Gegensatz zu herkömmlichen Festkörper-Quantensensoren, die extrem tiefe Temperaturen erfordern. Das Forschungsteam unter der Leitung von David Awschalom und Peter Maurer konzentrierte sich auf ein genetisch kodiertes fluoreszierendes Protein und demonstrierte dessen Fähigkeit, als Quantensensor zu fungieren und feinste Umweltveränderungen zu detektieren.
Dieses Durchbruchkonzept könnte die Entwicklung von quantenunterstützter nanoskaliger Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen, die Einblicke auf atomarer Ebene in biologische Prozesse liefert. Die Forscher nutzten eine neuartige Spin-Auslesetechnik, um optisch adressierbare Spin-Qubits im Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP) zu realisieren. Sie verzeichneten eine Spin-Gitter-Relaxationszeit von 141 Mikrosekunden und eine Kohärenzzeit von 16 Mikrosekunden.
Die Forschung wurde durch das Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE) der National Science Foundation (NSF) und die Gordon and Betty Moore Foundation unterstützt. QuBBE, gegründet im Jahr 2021, zielt darauf ab, die Quantentechnologie in der Biologie voranzutreiben und eine neue Generation von Fachkräften im Bereich Quantentechnologie durch MINT-Bildung zu fördern.
Die erfolgreiche Integration von Quantensensoren in lebende Zellen stellt einen bedeutenden Fortschritt sowohl für die Quantentechnologie als auch für die biologische Forschung dar. Diese Innovation birgt das Potenzial, unser Verständnis zellulärer Prozesse und Krankheitsmechanismen zu vertiefen und den Weg für neuartige diagnostische und therapeutische Ansätze zu ebnen. Insbesondere die Fähigkeit, diese Protein-Qubits direkt in lebende Systeme zu integrieren, eröffnet die Möglichkeit, Quantenphänomene auf zellulärer Ebene zu untersuchen, was bisher unerreicht war.