Исследователи из Чикагского университета совместно со сторонними специалистами разработали оптически управляемый спиновый кубит на основе генетически кодируемого флуоресцентного белка EYFP, в отличие от твёрдотельных решений в алмазе или полупроводниках. В молекуле организовали двухуровневую квантовую систему, основанную на долгоживущем триплетном состоянии, в котором возможно регулирование спина электронов.
В экспериментах применяли усовершенствованный EYFP — популярный в клеточной биологии безопасный и ярко светящийся маркер. Белок инициализировали короткими импульсами синего лазера, переводившими его в возбуждённое синглетное состояние; часть молекул затем переходила в триплет, обладающий стабильной ориентацией спина.
Для считывания информации из кубита использовали инфракрасный импульс (912 нм), который «активировал» триплетное состояние и ускорял возврат молекулы в основной уровень. В этот момент регистрировался сигнал замедленной флуоресценции, отчётливо отличающийся по времени и интенсивности от фонового свечения EYFP, что позволяло надёжно определять спиновое состояние.
Манипуляцию спином внутри молекулы осуществляли серией микроволновых последовательностей, задававших требуемую квантовую конфигурацию. Таким образом учёные продемонстрировали целенаправленное управление и одновременное считывание квантового состояния белкового кубита.
Источник: Jason Smith
В серии опытов при температуре около 80 K удалось получить разницу сигналов между двумя спиновыми уровнями до 20 % в одном направлении и 10 % в противоположном. Время когерентности, то есть период сохранения квантовой информации, при оптимизированных схемах управления достигало 16 мкс — в 15 раз больше, чем при базовых методах. Продольная релаксация (T1) составила 141 мкс, что подтверждает стабильность белкового кубита EYFP для практических квантовых манипуляций.
Параметры расщепления спиновых уровней в отсутствие внешнего поля (D и E), измеренные методом оптической спектроскопии ODMR, совпали с расчётными и составили соответственно 2,356 ГГц и 0,458 ГГц. Эти величины характеризуют энергодифференциацию уровней в молекуле даже без магнитного воздействия.
Особое внимание уделили внедрению белкового кубита в живые системы. В опытах на клеточных культурах HEK 293T и бактериях E. coli продемонстрировали управляемое квантовое поведение, причём для бактерий эффект наблюдался при комнатной температуре. В среде HEK концентрация EYFP достигала около 11 мкМ, а контраст магнитного резонанса при сильном фоновом свечении клеток достигал 8 %, что открывает перспективы тонкой диагностики прямо в биологической среде.
Основными ограничениями технологии остаются чувствительность и число фотонов, получаемых с одной молекулы за цикл измерения. По этим параметрам белковый кубит уступает лучшим NV-сенсорам на базе алмаза, однако EYFP выигрывает возможностью генетической доставки в любые клетки и прицельного нацеливания на конкретные белковые структуры внутри организма.
Авторы подробно описывают пути улучшения: повышение флуоресцентной яркости, усовершенствование оптических систем, увеличение числа фотонов и оптимизацию белка с помощью направленной эволюции и генной инженерии.
Впервые генетически кодируемый белок подтвердил способность функционировать как квантовый кубит — хранить и передавать информацию под контролем света в живой клетке. Технология ещё далека от клинического применения или статуса «нанодатчика», но она прокладывает путь к картированию магнитных и электрических свойств на уровне отдельных молекул внутри клеток. В перспективе белковые кубиты станут сенсорами нового поколения для биофизики, биомедицины и нанодиагностики, открывая беспрецедентные возможности для изучения жизни на квантовом уровне.
Источник: iXBT
