Các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (PME) thuộc Đại học Chicago đã đạt được một bước đột phá đáng kinh ngạc khi chuyển đổi một loại protein có trong tế bào sống thành qubit chức năng, đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử. Phát hiện này, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 20 tháng 8 năm 2025, mở ra những khả năng mới cho việc tích hợp các cảm biến lượng tử vào hệ thống sinh học.
Protein được nghiên cứu là Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP), một loại protein huỳnh quang phổ biến trong nghiên cứu sinh học. Điều đáng chú ý là EYFP đã thể hiện các đặc tính lượng tử dưới điều kiện môi trường thông thường, loại bỏ nhu cầu về nhiệt độ cực thấp vốn thường cần thiết cho các cảm biến lượng tử truyền thống. Điều này cho phép EYFP được tích hợp vào các tế bào sống và duy trì đặc tính lượng tử của nó ngay cả trong điều kiện sinh lý.
Nghiên cứu, do một nhóm các nhà khoa học bao gồm Jacob S. Feder, Benjamin S. Soloway, Shreya Verma và David D. Awschalom dẫn đầu, đã chứng minh rằng EYFP có thể hoạt động như một qubit có thể định địa chỉ bằng quang học. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp phát hiện quang học tiên tiến, bao gồm cả đo lường cộng hưởng từ quang học được phát hiện (ODMR), để xác định các dấu hiệu cộng hưởng spin đặc trưng của các phân tử EYFP bên trong tế bào. Điều quan trọng là, các thuộc tính nhất quán lượng tử của EYFP vẫn được bảo tồn ngay cả trong môi trường sinh học phức tạp và nhiễu loạn.
David Awschalom, một trong những nhà điều tra chính và là giáo sư tại UChicago PME, nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu liên ngành. Ông tuyên bố: "Chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên mà ranh giới giữa vật lý lượng tử và sinh học bắt đầu mờ đi. Đây là nơi khoa học thực sự mang tính biến đổi sẽ diễn ra." Sự hợp tác này là minh chứng cho sức mạnh của việc kết hợp các lĩnh vực kỹ thuật lượng tử và sinh học phân tử. Nghiên cứu này nhận được sự tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF) và Quỹ Gordon và Betty Moore.
Khám phá này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong sự hội tụ của vật lý lượng tử và sinh học, mở đường cho các cảm biến lượng tử tương thích sinh học có thể cách mạng hóa việc phát hiện bệnh và giám sát các quá trình sinh học theo thời gian thực. Các cảm biến dựa trên EYFP có thể thăm dò các thông số nội bào như từ trường, điện trường, gradient nhiệt độ hoặc thay đổi hóa học với độ phân giải không gian và độ nhạy chưa từng có.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các phép đo ODMR trên các tế bào vi khuẩn E. coli biểu hiện EYFP ở nhiệt độ phòng, cho thấy tín hiệu cộng hưởng spin có độ tương phản cao bất chấp sự hiện diện của ánh sáng huỳnh quang tự nhiên của tế bào và sự mất nhất quán nhiệt độ. Một đổi mới quan trọng trong nghiên cứu này là việc sử dụng kỹ thuật huỳnh quang trễ được tăng tốc bằng quang học (OADF), giúp loại bỏ nhiễu nền và cho phép phát hiện spin nhạy hơn. Khả năng này cho phép các nhà khoa học điều chỉnh lượng protein lượng tử được biểu hiện trong các tế bào để tối ưu hóa khả năng cảm biến lượng tử hoặc xử lý thông tin.
Sự phát triển này không chỉ cho phép các phương pháp mới để cảm biến lượng tử bên trong các hệ thống sống mà còn giới thiệu một cách tiếp cận hoàn toàn khác để thiết kế vật liệu lượng tử. Bằng cách sử dụng các công cụ tiến hóa và tự lắp ráp của tự nhiên, các nhà nghiên cứu có thể vượt qua một số rào cản mà công nghệ lượng tử dựa trên spin hiện tại đang đối mặt. Điều này mở ra một con đường mới cho các ứng dụng tiềm năng trong y học, chẳng hạn như MRI lượng tử ở quy mô nano để tiết lộ cấu trúc nguyên tử của bộ máy tế bào, và cách mạng hóa các phương pháp nghiên cứu sinh học.