芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员在将量子技术与生物系统相结合方面取得了重大进展。他们成功地对一种存在于活细胞中的蛋白质进行了工程改造，使其能够作为量子比特（qubit），从而在生物环境中实现前所未有的量子传感能力。这项研究已于2025年8月29日发表在《自然》（Nature）杂志上。
传统的量子传感器通常需要在极低的温度和高度隔离的环境下运行，这限制了它们在生物体内的应用。芝加哥大学的团队通过一种创新的方法，利用蛋白质固有的量子特性，成功克服了这一挑战。他们改造了增强型黄色荧光蛋白（EYFP），使其能够精确探测微小环境变化，并作为量子传感器。这些基于蛋白质的量子比特可以直接在细胞内通过基因编码产生，并能被精确地定位到细胞的特定结构中，从而实现对细胞内部运作的细致观察。
该研究由David Awschalom教授和Peter Maurer教授领导，他们利用了一种新颖的光学可寻址自旋量子比特技术。实验数据显示，这些蛋白质量子比特表现出141微秒的自旋-晶格弛豫时间和16微秒的相干时间。Awschalom教授表示：“我们不是试图将传统的量子传感器‘伪装’以进入生物系统，而是希望探索利用生物系统本身来开发量子比特。”
这项研究得到了美国国家科学基金会（NSF）的量子飞跃挑战研究所（Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering, QuBBE）以及戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）的支持。QuBBE研究所成立于2021年，旨在推动量子技术在生物学领域的应用。
此次将量子传感器集成到活细胞中的成功，为量子技术带来了新的应用场景，并为生物学研究开辟了新的可能性。这项创新有望实现量子增强型纳米级磁共振成像（MRI），从而以前所未有的原子级别精度洞察复杂的细胞过程和疾病机制，为开发新型诊断和治疗方法奠定基础。