Naukowcy z Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) na Uniwersytecie w Chicago dokonali przełomowego osiągnięcia, inżynierując białko występujące w żywych komórkach, aby działało jako kubit – podstawowa jednostka informacji w technologii kwantowej. Badanie, opublikowane 29 sierpnia 2025 roku w czasopiśmie Nature, otwiera nowe możliwości dla kwantowych czujników działających w środowiskach biologicznych, co stanowi znaczący krok naprzód w integracji technologii kwantowych z systemami biologicznymi.
W przeciwieństwie do tradycyjnych, opartych na ciałach stałych czujników kwantowych, które wymagają ekstremalnie niskich temperatur, nowo opracowane białkowe kubity są kodowane genetycznie w żywych komórkach. Pozwala to na ich efektywne działanie w ciepłych i dynamicznych warunkach charakterystycznych dla środowisk biologicznych. Zespół badawczy, pod kierownictwem Davida Awschaloma i Petera Maurera, skupił się na genetycznie kodowanym białku fluorescencyjnym, demonstrując jego zdolność do działania jako czujnik kwantowy, wykrywający nawet najmniejsze zmiany w otoczeniu. Ten postęp może umożliwić kwantowe obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) na poziomie nano, dostarczając wglądu w procesy biologiczne z rozdzielczością atomową.
Badanie, zatytułowane „A fluorescent-protein spin qubit”, wykorzystało nowatorską technikę odczytu spinu. Naukowcy osiągnęli optycznie adresowalne kubity spinowe w Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP), rejestrując czas relaksacji spin-siatka wynoszący 141 mikrosekund i czas koherencji 16 mikrosekund. Wyniki te pozycjonują białka fluorescencyjne jako obiecującą nową platformę dla czujników kwantowych.
Projekt otrzymał wsparcie od Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE) przy National Science Foundation (NSF) oraz od Gordon and Betty Moore Foundation. Utworzony w 2021 roku instytut QuBBE ma na celu rozwój technologii kwantowych w biologii oraz kształcenie przyszłych kadr dla tej dziedziny poprzez edukację STEM. Jak podkreśla NSF, celem instytutu jest tworzenie systemów pomiarowych i obrazowania kwantowego, które przekraczają klasyczne granice, aby wydobyć nowe informacje z biologii.
Integracja czujników kwantowych z żywymi komórkami stanowi znaczący postęp zarówno dla technologii kwantowych, jak i badań biologicznych. Ta innowacja ma potencjał do pogłębienia naszego zrozumienia procesów komórkowych i mechanizmów chorób, otwierając drogę do nowych metod diagnostycznych i terapeutycznych. Warto zauważyć, że choć białkowe kubity nie dorównują jeszcze precyzją czujnikom opartym na diamentach, ich zdolność do genetycznego kodowania w żywych systemach otwiera unikalne możliwości zastosowań, w tym obserwację zjawisk kwantowych w biologii w czasie rzeczywistym.
Jak podkreślają badacze, jest to krok w kierunku wykorzystania naturalnych mechanizmów ewolucji i samoporządkowania do przezwyciężenia obecnych ograniczeń technologii kwantowych, co może zrewolucjonizować projektowanie materiałów kwantowych. Badania te, wspierane przez National Science Foundation (NSF) w ramach programu QuBBE, podkreślają rosnące znaczenie interdyscyplinarnych współprac, które przesuwają granice nauki. Uniwersytet w Chicago, dzięki swoim partnerstwom z instytucjami takimi jak Chicago State University i University of Illinois w Chicago, jest na czele tej rewolucji, tworząc środowisko sprzyjające przełomowym odkryciom i kształceniu nowej generacji naukowców. Gordon and Betty Moore Foundation, poprzez swoje inwestycje w badania nad emergentnymi zjawiskami w układach kwantowych, również odgrywa kluczową rolę w napędzaniu postępu w tej dziedzinie, wspierając badania nad nowymi materiałami kwantowymi.