Trong nhiều năm, cơ học lượng tử và sinh học được xem là hai lĩnh vực không tương thích. Các máy tính và cảm biến lượng tử đòi hỏi các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, chân không hoàn hảo và sự cô lập tuyệt đối để duy trì các thuộc tính lượng tử tinh vi của chúng. Ngược lại, các tế bào sống phát triển mạnh trong môi trường ấm áp, hỗn loạn và ẩm ướt, dường như hoàn toàn thù địch với bất kỳ hiện tượng lượng tử nào. Sự khác biệt cơ bản này đã ngăn cản các nhà khoa học quan sát trực tiếp các quá trình tinh tế nhất của sự sống ở cấp độ lượng tử.
Tuy nhiên, nghiên cứu đột phá từ Đại học Chicago vào năm 2025 đã phá vỡ rào cản này một cách ngoạn mục. Các nhà khoa học đã thành công biến đổi một loại protein sinh học, một phân tử có trong các tế bào sống, thành một cảm biến lượng tử hoạt động đầy đủ. Cốt lõi của khám phá này là việc tạo ra một "bit lượng tử" hay qubit sống – đơn vị thông tin cơ bản trong thế giới lượng tử. Thay vì chế tạo một cỗ máy phức tạp để mô phỏng sự sống, các nhà nghiên cứu đã thuyết phục chính sự sống trở thành một phần của cỗ máy của họ.
Cách tiếp cận "từ trong ra ngoài" này, kích hoạt các thuộc tính lượng tử tự nhiên của một phân tử đã có sẵn trong hệ thống sinh học, gợi ý một điều gì đó sâu sắc. Có lẽ thiên nhiên đã sử dụng cơ học lượng tử cho các chức năng sinh học từ lâu, và chúng ta giờ đây mới học cách đọc ngôn ngữ mà nó đã nói từ lâu. Việc một protein sinh học có thể được chuyển đổi thành qubit cho thấy cấu trúc của nó đã được điều chỉnh để duy trì các trạng thái lượng tử. Điều này có thể có nghĩa là các quá trình như hoạt động của enzyme hoặc gấp protein, hiện đang được giải thích bằng hóa học cổ điển, có một lớp lượng tử ẩn mà chúng ta chưa thể nhìn thấy.
Ưu điểm của phương pháp này là vô cùng lớn. Không giống như các cảm biến lượng tử được tạo ra nhân tạo, chẳng hạn như các khuyết tật trong mạng lưới kim cương, các qubit protein này có thể được sản xuất trực tiếp bởi tế bào. Chỉ cần đưa gen phù hợp vào tế bào là bộ máy tự nhiên của nó có thể sản xuất hàng loạt các cảm biến cực kỳ nhạy cảm này. Điều này có nghĩa là chúng có thể được đặt với độ chính xác hoàn hảo ngay tại nơi chúng cần – trực tiếp bên trong một hệ sinh thống sống. Quá trình này giống như trồng một hạt giống để phát triển các nhà máy hơn là xây dựng một nhà máy duy nhất.
Tiềm năng là chúng ta có thể tạo ra toàn bộ mạng lưới lượng tử tự tổ chức trong các sinh vật sống để theo dõi toàn bộ các mô hoặc cơ quan từ bên trong. Hơn nữa, các cảm biến sinh học này có tiềm năng phát hiện tín hiệu mạnh hơn gấp hàng nghìn lần so với các công nghệ hiện tại có thể thu được. Điều này mở ra cánh cửa cho mức độ nhạy cảm chưa từng có trong việc quan sát các quá trình sinh học. Về cơ bản, chúng ta đã có một công cụ cho phép chúng ta nhìn sâu vào những bí ẩn sâu sắc nhất về cách thức hoạt động của sự sống ở cấp độ nguyên tử.
Ứng dụng mang tính cách mạng nhất của công nghệ này là tầm nhìn về "cộng hưởng từ lượng tử quy mô nano". Hãy tưởng tượng có thể theo dõi cấu trúc nguyên tử của bộ máy tế bào, chẳng hạn như quá trình gấp protein, trong thời gian thực, khi tế bào còn sống và hoạt động. Trước đây, những quan sát như vậy đòi hỏi phải giết và cố định tế bào, chỉ cho ra hình ảnh tĩnh. Với công nghệ mới này, chúng ta có thể phát hiện các dấu hiệu phân tử sớm nhất của bệnh tật, như protein gấp sai đầu tiên mà nhiều năm sau có thể dẫn đến khối u.
Mặc dù độ chính xác của các cảm biến protein này chưa sánh kịp với các cảm biến kim cương tốt nhất, khả năng hoạt động trực tiếp bên trong các hệ thống sống của chúng đại diện, theo các nhà khoa học, một lời hứa "cấp tiến hơn nhiều". Khám phá này có thể thay đổi cơ bản định nghĩa về chẩn đoán y tế. Thay vì xác định một bệnh hiện có, chúng ta có thể phát hiện xác suất thống kê xảy ra của nó ở cấp độ phân tử, cho phép can thiệp trước khi các triệu chứng biểu hiện. Do đó, y học có thể chuyển từ điều trị sang hiệu chỉnh phân tử phòng ngừa, mở ra một kỷ nguyên hoàn toàn mới trong chăm sóc sức khỏe.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Chicago đã phát triển một phương pháp biến protein huỳnh quang, vốn được sử dụng để hình ảnh hóa sinh học, thành các cảm biến lượng tử có thể hoạt động bên trong tế bào. Các protein này có thể được mã hóa trong DNA để tế bào tự sản xuất cảm biến, cho phép chúng nhắm mục tiêu vào các cấu trúc dưới tế bào. Nghiên cứu này mở ra khả năng cảm biến lượng tử bên trong các hệ thống sống, cung cấp một phương pháp để đo lường trực tiếp các thuộc tính lượng tử ở cấp độ nano. Các qubit protein cũng có thể giới thiệu một cách tiếp cận mới để thiết kế vật liệu lượng tử bằng cách sử dụng các phương pháp tiến hóa và tự lắp ráp để giải quyết các vấn đề về khả năng mở rộng trong công nghệ lượng tử dựa trên spin hiện tại.
Mặc dù các qubit dựa trên protein này chưa sánh kịp với độ nhạy của cảm biến lượng tử dựa trên kim cương, khả năng được mã hóa di truyền vào các hệ thống sống của chúng cho phép một bộ ứng dụng riêng biệt. Các nhà khoa học tin rằng kỹ thuật này sẽ hoạt động trên nhiều loại protein khác nhau. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy khả năng đo lường trực tiếp các thuộc tính lượng tử bên trong các hệ thống sống.