Фундаментальна відмінність між вимогами квантової механіки та умовами життя довгий час перешкоджала прямому спостереженню за найтоншими процесами життя на квантовому рівні. Квантові комп'ютери та сенсори потребують екстремальних умов, таких як температури, близькі до абсолютного нуля, досконалий вакуум та повна ізоляція. Натомість живі клітини функціонують у теплих, хаотичних і вологих середовищах.
Однак, новаторське дослідження Чиказького університету, опубліковане у 2025 році в журналі Nature, зруйнувало цей бар'єр. Вчені успішно перетворили біологічний білок, молекулу, що міститься в живих клітинах, на повноцінний квантовий сенсор. Це досягнення базується на створенні «живого» квантового біта, або кубіта. Дослідники використали підхід «зсередини назовні», активуючи природні квантові властивості молекули, що вже присутня в біологічній системі. Це свідчить про потенційне використання природою квантової механіки для біологічних функцій, що може бути ключем до розуміння мови, якою природа спілкується.
Перетворення біологічного білка на кубіт вказує на те, що його структура вже адаптована для підтримки квантових станів. Це може означати, що процеси, які наразі пояснюються класичною хімією, такі як активність ферментів або згортання білків, мають прихований квантовий шар. На відміну від штучно створених квантових сенсорів, білкові кубіти можуть вироблятися безпосередньо клітинами шляхом введення відповідного гена. Це дозволяє розміщувати їх з ідеальною точністю всередині живої системи, створюючи потенціал для самоорганізованих квантових мереж у живих організмах для моніторингу тканин або органів.
Ці біологічні сенсори мають потенціал виявляти сигнали в тисячі разів сильніші, ніж сучасні технології, відкриваючи безпрецедентний рівень чутливості у спостереженні за біологічними процесами. Революційним застосуванням є «нанорозмірний квантовий магнітний резонанс», що дозволяє відстежувати атомну структуру клітинних механізмів, як-от згортання білків, у реальному часі. Це може допомогти виявити найперші молекулярні ознаки захворювань, як-от неправильно згорнутий білок, що може призвести до пухлини.
Хоча точність цих білкових сенсорів ще не досягла рівня найкращих алмазних сенсорів, їхня здатність функціонувати безпосередньо в живих системах є «набагато більш радикальною» обіцянкою. Це відкриття може докорінно змінити медичну діагностику, дозволяючи виявляти статистичну ймовірність виникнення захворювання на молекулярному рівні до появи симптомів. Таким чином, медицина може перейти від лікування до профілактичної молекулярної корекції, започатковуючи нову еру в охороні здоров'я.
Дослідження, проведене командою з Чиказького університету, демонструє, як біологічні системи можуть бути використані для створення квантових сенсорів. Цей підхід, що використовує генетично закодовані білки, дозволяє створювати сенсори з атомною точністю, здатні виявляти сигнали в тисячі разів сильніші за сучасні аналоги. Це відкриває шлях до революційних застосувань у нанорозмірній магнітній резонансній томографії (нано-МРТ), що дозволить детально вивчати структуру клітинних механізмів та раннє виявлення захворювань на молекулярному рівні. Дослідження в галузі квантової біології вже показують, що квантові ефекти, такі як тунелювання, відіграють роль у каталізі ферментів та мутаціях ДНК, що свідчить про глибокий зв'язок між квантовою механікою та біологічними процесами.