Команда исследователей из Прицкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета добилась значительного прорыва, превратив белок, присутствующий в живых клетках, в функциональный кубит — фундаментальную единицу квантовых вычислений. Этот белок, известный как Улучшенный желтый флуоресцентный белок (EYFP), продемонстрировал квантовые свойства в обычных условиях, что устраняет необходимость в сверхнизких температурах, традиционно требуемых для квантовых сенсоров.
Это достижение открывает новые горизонты для интеграции EYFP в живые клетки, сохраняя его квантовые характеристики даже в физиологических условиях. Исследование, опубликованное 20 августа 2025 года в журнале Nature, было проведено командой, включающей Джейкоба С. Федер, Бенджамина С. Солоуэя, Шрея Верма, Чжи З. Генга, Шихао Ванга, Бетхель Кифле, Эммелин Г. Риндау, Йегише Цатуряна, Лию Р. Вайс, Моуже Сие, Джун Хуанга, Аарона Эссер-Кана, Лору Гальярди, Дэвида Д. Ашшолома и Питера С. Маурера. Финансирование исследования осуществлялось Национальным научным фондом США (NSF) и Фондом Гордона и Бетти Мур.
В более широком контексте, эта разработка является значительным шагом на пути сближения квантовой физики и биологии. Квантовая механика, лежащая в основе всех явлений, теперь находит применение в понимании и манипулировании биологическими системами на фундаментальном уровне. Как отметил Дэвид Ашшолом, один из ведущих соисследователей и профессор Чикагского университета PME: «Мы вступаем в эру, когда грань между квантовой физикой и биологией начинает стираться. Именно здесь произойдет по-настоящему преобразующая наука».
Этот междисциплинарный подход позволяет использовать природные механизмы для создания передовых квантовых сенсоров. EYFP, широко используемый в биологии как флуоресцентная метка, продемонстрировал способность выступать в роли кубита благодаря своему метастабильному триплетному состоянию, спиновые свойства которого можно контролировать. Ученые смогли инициализировать, манипулировать с помощью микроволн и считывать состояние этого белкового кубита.
Важно отметить, что эти квантовые свойства сохраняются даже в сложной и динамичной среде живых клеток, как показали эксперименты с использованием клеток почек человека и бактерий E. coli при комнатной температуре. Это свидетельствует о том, что квантовое поведение может успешно существовать и функционировать в биологических системах, открывая путь к созданию генетически кодируемых квантовых сенсоров.
Это открытие знаменует собой значительный прогресс в создании биосовместимых квантовых сенсоров, которые могут революционизировать методы обнаружения заболеваний и мониторинга биологических процессов в реальном времени. Потенциал таких сенсоров включает в себя возможность зондирования внутриклеточных параметров, таких как магнитные поля, электрические поля или температурные градиенты, с беспрецедентной точностью и пространственным разрешением. Это открывает новые возможности для медицинских исследований, разработки лекарств и более глубокого понимания фундаментальных механизмов жизни на молекулярном уровне.