Các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã đạt được một bước đột phá đáng kể trong lĩnh vực sinh học lượng tử bằng cách tích hợp thành công các nguyên lý vật lý lượng tử vào hệ thống sinh học. Nghiên cứu này tập trung vào việc biến đổi protein huỳnh quang từ sinh vật biển thành các "biocubits" có khả năng hoạt động như các đơn vị tính toán lượng tử. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.
Những biocubits này có khả năng thể hiện hiện tượng "chồng chập", tức là tồn tại đồng thời ở hai trạng thái khác nhau. Khả năng này mở ra tiềm năng to lớn cho việc phát triển các thiết bị tiên tiến có thể thăm dò cấu trúc siêu nhỏ bên trong tế bào. Khám phá này hứa hẹn sẽ thay đổi sâu sắc sự hiểu biết của chúng ta về các hệ thống sống và thúc đẩy sự ra đời của các công nghệ mới.
Trong khi máy tính cổ điển sử dụng bit với hai trạng thái 0 hoặc 1, máy tính lượng tử dựa trên qubit có thể tồn tại ở cả hai trạng thái cùng lúc, mang lại sức mạnh tính toán vượt trội. Tuy nhiên, việc ứng dụng qubit trong các cơ thể sống trước đây gặp nhiều thách thức do yêu cầu môi trường đặc biệt. Nghiên cứu mới này đã khắc phục rào cản đó bằng cách tận dụng các protein tự nhiên, vốn đã được tiến hóa để hoạt động hiệu quả trong môi trường sinh học.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại kính hiển vi đặc biệt, sử dụng tia laser để quan sát trạng thái của các biocubits. Các thí nghiệm đã được tiến hành trên protein tinh khiết, tế bào má người và vi khuẩn E. coli. Mặc dù các biocubits này chỉ duy trì trạng thái lượng tử trong khoảng 16 micro giây – một khoảng thời gian ngắn so với các phương pháp tạo qubit khác – đây là lần đầu tiên các đặc tính lượng tử được đo lường thành công bên trong các sinh vật sống.
Phát hiện này cho phép các nhà khoa học khai thác các công cụ tự nhiên của quá trình tiến hóa và tự lắp ráp, vượt qua những khó khăn mà công nghệ lượng tử dựa trên spin hiện tại đang đối mặt. Bước đột phá này mở ra triển vọng to lớn cho nghiên cứu sâu hơn về sinh học lượng tử và phát triển các công nghệ sinh học mới.
Các biocubits này có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về các chức năng sinh học ở cấp độ nano, chẳng hạn như quá trình gấp protein, theo dõi các phản ứng sinh hóa trong tế bào, và giám sát cách thuốc liên kết với các tế bào và protein mục tiêu. Hơn nữa, chúng có thể dẫn đến những tiến bộ trong chẩn đoán hình ảnh y tế và phát hiện sớm các con đường bệnh lý.
Công trình tiên phong này đã được hỗ trợ bởi việc thành lập Trung tâm Sinh học và Y học Lượng tử Berggren tại Đại học Chicago, nhờ khoản tài trợ hào phóng trị giá 21 triệu đô la.
Các nhà khoa học tin rằng việc học hỏi từ các nguyên tắc thiết kế của tự nhiên sẽ cho phép tạo ra các cảm biến lượng tử hoạt động hiệu quả trong môi trường sinh học mà không cần các điều kiện làm lạnh và cô lập khắc nghiệt như công nghệ lượng tử truyền thống. Sự hợp tác liên ngành tại Đại học Chicago, kết hợp chuyên môn về kỹ thuật lượng tử và sinh học phân tử, là yếu tố then chốt cho thành công này.