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(2025-09-27 10:11:46)
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科学突破导致“荧光生物量子比特”——它可能意味着将你的细胞变成量子传感器
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荧光蛋白能被在细胞内转化为量子比特，可以给我们一个更深入了解在纳米水平上的生物学。
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基于蛋白质的量子比特可能对加速在最小尺度上生物学研究是关键，归功于一项新的科学突破。
来自芝加哥大学的研究人员已经发现了一种来将一个荧光蛋白转化为一个生物量子比特的方法，能被直接的在一个细胞内构建，然后用作为一种来检测细胞内磁和电信号的方式。这项突破被详细在8月20日发表在《Nature》期刊上的一篇论文中。.
芝加哥大学分子工程系助理教授、联合首席研究员彼得·毛雷尔在声明中说，“我们的发现不仅使在活体系统内量子传感新方式成为可能，还引入了一种设计量子材料的激进的不同方法。特别的，我们现在能用自然界的自己的进化和自组装来攻克被当前基于自旋量子技术面临的路障” 。
通过用现有已经在显微中的蛋白质开发能被在细胞内部署的生物量子比特，这项研究绕过需要来给机器设备装配量子装置来在生物系统中工作。这最终可能导致无需通常量子技术需要的极端冷却和隔离的量子传感，。
荧光发现
荧光蛋白能被发现在广泛的海洋生物中，吸收在特定波长上的光线并发射另一个更长波长的光，例如这是赋予某些水母来辉光能力的。因此，它们被生物学家用来标记细胞通过基因编码和在蛋白质的融合中。
研究人员发现了这些蛋白质中的荧光团使光的导抗成为可能，由于它们的有一个元稳定的三重态能被用作为量子比特。这是一个分子吸收光并过渡成有两个它的平行自旋的最高能级的电子的地方。在衰变前该状态维持短暂时间。按量子力学术语，分子一下子处在一个多个量子态的超位直到被直接观测或被一个外部干扰为止。
为利用这个，研究人员开发了一种定制共聚焦显微镜——一种由一系列透镜和反射镜组成的光学系统，用激光光来产生生物样本的高分辨率图像——来光学上解决增强型黄色荧光蛋白（EYFP）的自旋状态，并将它用作为纯化蛋白质、一个人类肾细胞和大肠杆菌中的一个量子比特。
激光显微镜最初用488纳米的光脉冲来诱导在增强型黄色荧光蛋白中的一个自旋。随后，一个近红外激光脉冲触发了三重态自旋状态的读出，有“高达20%的自旋对比度”——这意味着研究人员可以看到在自旋状态中足够差异用这种蛋白质作为一个工作的量子比特。
一旦自旋已经被初始化，研究人员用微波来保持自旋在两个能级之间相干振荡——这样在三重态衰变了之前，蛋白质行为像一个持续了大约16微秒的量子比特一样。
生物学突破
观测电子从被一个激光击中如何脉冲意味着生物学量子比特能被用作为一个量子传感器，拾起在一个细胞内部发生的。
科学家在研究中说，这可能产生在纳米尺度上的生物功能的洞察，诸如蛋白质折叠、追踪细胞中生化反应和监测药物如何与靶细胞和蛋白质结合。这还可能导致医学成像技术中的进步和疾病路径的早期检测。
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虽然生物量子比特可以动摇生物传感并开辟来创造量子传感器的新途径，但仍有一些障碍需要克服。
为有效操控荧光蛋白的自旋状态，它需要被保持在液氮温度。虽然生物量子比特证明了它可被有效的用在哺乳动物细胞的复杂环境中——一个这个突破的重要部分——但它仍需被冷却至175开尔文（-98.15摄氏度）温度。在室温下，该技术在细菌细胞中仍功能的，研究人员光学上检测到磁共振，但对比度仅最高8%，且增强型黄色荧光蛋白的自旋态有一个迅速减少。
生物量子传感器的灵敏度也落后于固态传感器，例如那些由金刚石缺陷制成的。因此，在生物量子比特和细胞中的量子传感器能变成生物学和医学中的实用工具之前，仍需在稳定性和灵敏度进行更多研究。
但这是一个超越概念验证阶段的突破，一个量子比特的直接编码进一个细胞为量子技术开辟了一条新途径，在那里量子物理和生物学之间的界限被模糊。
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