Các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (UChicago PME) thuộc Đại học Chicago đã phát triển một bước đột phá mới, biến đổi một loại protein trong tế bào sống thành một qubit (bit lượng tử) chức năng. Nghiên cứu này, được công bố ngày 29 tháng 8 năm 2025 trên tạp chí Nature, mở ra khả năng tích hợp công nghệ lượng tử vào các hệ thống sinh học.
Khác với các cảm biến lượng tử trạng thái rắn truyền thống yêu cầu môi trường nhiệt độ cực thấp, các qubit dựa trên protein này được mã hóa di truyền trong tế bào sống, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong điều kiện ấm áp, năng động của môi trường sinh học. Nhóm nghiên cứu, do David Awschalom và Peter Maurer dẫn dắt, đã tập trung vào một loại protein huỳnh quang được mã hóa di truyền và chứng minh khả năng hoạt động như một cảm biến lượng tử, phát hiện những thay đổi môi trường cực nhỏ.
Bước đột phá này có thể cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) nano được hỗ trợ bởi lượng tử, cung cấp cái nhìn sâu sắc ở cấp độ nguyên tử về các quá trình sinh học. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật đọc spin mới lạ, đạt được các qubit spin có thể định địa chỉ bằng quang học trong Protein Huỳnh quang Vàng Tăng cường (EYFP). Họ ghi nhận thời gian thư giãn spin-lattice là 141 micro giây và thời gian kết hợp là 16 micro giây, cho thấy protein huỳnh quang là một nền tảng đầy hứa hẹn cho các cảm biến lượng tử.
Sự hỗ trợ từ Viện Thách thức Bước nhảy Lượng tử về Cảm biến Lượng tử cho Sinh vật học và Kỹ thuật Y sinh (QuBBE) của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) và Quỹ Gordon và Betty Moore đã đóng vai trò quan trọng. QuBBE, thành lập năm 2021, nhằm thúc đẩy công nghệ lượng tử trong lĩnh vực sinh học và đào tạo nguồn nhân lực lượng tử thông qua giáo dục STEM.
Việc tích hợp thành công các cảm biến lượng tử vào tế bào sống đại diện cho một bước tiến quan trọng cho cả công nghệ lượng tử và nghiên cứu sinh học. Khả năng quan sát các quá trình tế bào ở cấp độ lượng tử, từ sự gấp nếp protein đến hoạt động của enzyme, hứa hẹn sẽ làm sâu sắc thêm hiểu biết của chúng ta về cơ chế bệnh tật, mở đường cho các phương pháp chẩn đoán và điều trị mới. Các nhà khoa học nhấn mạnh rằng việc khai thác các công cụ của tự nhiên thông qua quá trình tiến hóa và tự lắp ráp có thể khắc phục những hạn chế của công nghệ lượng tử dựa trên spin hiện tại, mang đến một hướng đi mới trong thiết kế vật liệu lượng tử và cảm biến sinh học.