Учёные из Чикагского университета и их международные коллеги достигли поистине революционного прорыва в области квантовых технологий, представив первый в мире оптически управляемый кубит, основанный на живой белковой молекуле. В отличие от традиционных подходов, использующих твердый материал — алмазы или полупроводниковые структуры — новая разработка использует генетически кодируемый флуоресцентный белок EYFP. Этот белок был специально модифицирован для создания двухуровневой квантовой системы, способной сохранять и управлять спиновым состоянием электронов на основе долгоживущего триплетного состояния молекулы. Такой подход открывает новые горизонты в области биоинформатики и квантовых вычислений, совмещая возможности биологических систем с квантовыми принципами.
В экспериментальных условиях ученые использовали усовершенствованный вариант EYFP, хорошо известный в клеточной биологии за свою безопасность и яркую флуоресценцию. В ходе работы белок активировали коротким синим лазерным импульсом, который выводил молекулу в возбуждённое синглетное состояние. После этого часть молекул перешли в триплетное состояние — долгоживущее с определённой ориентацией спина, что сделало его потенциальным квантовым битом (кубитом). Такой триплетный уровень характеризуется высокой стабильностью и возможностью управлению посредством внешних воздействий.
Для считывания состояния кубита применялся инфракрасный импульс длиной 912 нм. Он “открывал” триплетное состояние, что позволяло быстро и точно возвращать молекулу в исходное состояние. Этот процесс сопровождался возникновением задержанной флуоресценции, которая отличалась по времени и интенсивности от обычного свечения белка. Благодаря этому scientists могли реализовать точное считывание спинового состояния, что является ключевым для функционирования квантовых систем. Управлять спином внутри молекулы удалось за счет ряда микроволновых сигналов, задающих необходимую конфигурацию — такой манипулятивный подход отражает высокий уровень контроля над системой.
Пробные опыты, проведённые при температуре около 80 К, показали, что разница сигнала между двумя уровнями достигает 20% по одному направлению и 10% — по другому, что свидетельствует о высокой чувствительности системы к квантовым состояниям. Время когерентности, то есть время, в течение которого кубит способен сохранять квантовую информацию, достигало 16 микросекунд — что в 15 раз превосходит показатели при использовании простых схем. Время релаксации (T1) составляло 141 микросекунду, демонстрируя стабильность и практическую применимость. Это означает, что новый белковый кубит EYFP способен функционировать достаточно устойчиво, чтобы использовать его в реальных квантовых манипуляциях и исследованиях.
Уровни энергии спинов в отсутствие внешнего магнитного поля были измерены методом оптической спектроскопии ODMR (optically detected magnetic resonance). Полученные параметры — D и E, равные 2,356 ГГц и 0,458 ГГц соответственно — полностью совпадали с теоретическими расчетами, что подтверждает точность модели и предсказаний. Эти параметры позволяют оценить степень разделения спиновых уровней, что важно для дальнейшей настройки и управления системой.
Особое значение имеет возможность применения этого подхода внутри живых систем. В экспериментах с культурами клеток человека (HEK 293T) и бактериями E. coli удалось продемонстрировать управляемое квантовое поведение при комнатной температуре — что значительно расширяет перспективы практического внедрения. В клетках человека концентрация EYFP достигала примерно 11 микромолей, при этом были зарегистрированы сигналы магнитного резонанса с контрастом до 8%, даже при ярком фоновом свечении. Это открывает перспективы использования белковых кубитов для тонкой диагностики и мониторинга внутри биологических сред, например, для обнаружения электрических или магнитных свойств в тканях и клетках.
Однако технология сталкивается с рядом ограничений. Главные из них связаны с чувствительностью и количеством фотонов, которые можно получить за один цикл измерения с одной молекулы. Эти параметры уступают лучшим сенсорам на основе NV-центров алмаза, однако белки имеют значительные преимущества благодаря возможности внедрения в любые типы клеток и целенаправленной нацеленности на конкретные белковые комплексы внутри организма. Такие уникальные свойства открывают новые возможности для биомедицинских приложений.
Авторы исследования планируют работу над повышением яркости белка, усовершенствованием оптической системы и увеличением количества получаемых фотонов, что повысит качество и стабильность квантовых измерений. Кроме того, ведутся разработки по направленной эволюции и генной инженерии белков для оптимизации их свойств. Эти шаги должны значительно повысить эффективность и удобство использования белковых кубитов, делая их более подходящими для практических приложений.
Запуск генетически кодируемых квантовых систем представляет собой совершенно новый этап в современных технологиях. Для первой литературной демонстрации белковый кубит EYFP уже показал свою способность хранить, передавать и управлять информацией при помощи света внутри живых клеток. Пока что технология находится на ранней стадии, и ей ещё предстоит пройти долгий путь до клинического применения или создания “нанодатчиков”. Тем не менее, полученные результаты открывают путь к созданию уникальных сенсоров, способных картировать магнитные, электрические и квантовые свойства молекул и тканей на уровне, ранее недоступном. В будущем белковые кубиты могут стать основой для новых методов биофизической диагностики, наномедицинских приложений и глубинного исследований молекулярных структур и процессов в живых организмах, расширяя наши возможности в области квантовой биотехнологии и наноанализов.
