芝加哥大學普利茲克分子工程學院（UChicago PME）的研究人員近期取得一項劃時代的突破，他們成功將一種存在於活細胞內的蛋白質工程化，使其能夠作為量子位元（qubit）運作。這項發表於《自然》（Nature）期刊的開創性研究，標誌著量子科技與生物系統整合領域的一大躍進，為我們理解生命奧秘開啟了前所未有的視角。
傳統的量子感測器，例如用於量子計算的超導電路或鑽石中的氮-空缺（NV）中心，通常需要極低的溫度和嚴格的隔離環境才能維持其脆弱的量子態。然而，生物體內溫暖且充滿動態變化的環境，對這些精密量子系統構成了嚴峻的挑戰。此次芝加哥大學團隊由David Awschalom教授和Peter Maurer教授領導，巧妙地將目光投向生物體本身，透過基因工程改造一種名為增強型黃色螢光蛋白（EYFP）的蛋白質，使其具備量子感測能力。這種方法不僅克服了傳統量子感測器在生物環境中的限制，更代表著一種典範轉移——從試圖將量子工具「偽裝」進入生物系統，轉變為「利用生物系統本身來創造量子感測器」。
研究團隊利用EYFP的亞穩態三線態（metastable triplet state），透過精密的雷射脈衝和微波控制，成功實現了光學可定址的自旋量子位元。他們測量到該蛋白質量子位元的自旋-晶格弛豫時間為141微秒，相干時間則為16微秒，這些數據證實了蛋白質在活細胞內仍能維持其量子特性並進行精確的資訊讀取。這種能力使得蛋白質量子位元能夠偵測到極其細微的環境變化，為量子感測在生物學中的應用提供了堅實的基礎。
這項技術的潛在應用前景極為廣闊。它有望實現量子增強的奈米級磁共振成像（MRI），從原子層面深入洞察細胞內部的運作機制，例如蛋白質摺疊、酵素活性，甚至疾病的早期跡象。透過這種方式，科學家們將能以前所未有的解析度觀察生命過程，揭示過去難以觸及的生物學細節。此外，這種方法也為設計新型量子材料提供了新思路，利用生物體的演化和自組裝機制來克服現有量子技術在可擴展性上面臨的挑戰。
此項研究得到了美國國家科學基金會的量子生物物理與生物工程量子躍進挑戰研究所（NSF QuBBE）以及戈登與貝蒂摩爾基金會（Gordon and Betty Moore Foundation）的大力支持。QuBBE研究所自2021年成立以來，便致力於推動量子科技在生物學領域的應用，並培養下一代量子科技人才。此次的突破性進展，不僅深化了我們對細胞過程和疾病機制的理解，也為開發創新的診斷與治療方法鋪平了道路，預示著量子科學與生命科學深度融合的新紀元即將來臨。