Желтый флуоресцентный белок превратили в кубит

Физики создали спиновый кубит для квантовой сенсорики на основе желтого флуоресцентного белка. Чувствительность датчика к магнитному полю составила 98 пикотесла при комнатной температуре, а время его когерентности примерно 16 микросекунд. Получившийся кубит ученые внедрили в клетки эмбриональной почки человека без уменьшения времени когерентности и потери чувствительности сенсора. Препринт исследования доступен на arXiv.org.

Кубиты это не только составные части квантовых вычислителей, но и квантовые сенсоры, принцип работы которых основан на взаимодействии с окружающей средой (например, при малом изменении температуры резко меняется время когерентности и спектральные характеристики кубита). Такие датчики позволяют ученым с высокой точностью измерить наномасштабные электрические и магнитные поля, а также температуры, близкие к абсолютному нулю, однако применение квантовых сенсоров в науках о жизни на сегодняшний день остается на уровне концепций.

Чаще всего для биологического зондирования исследователи используют спиновые кубиты на основе азотных вакансий в алмазе (подробнее о кубитах на NV-центрах мы рассказали в материале «Квантовые технологии. Модуль 4»), которые легко настраиваются оптическими методами и сохраняют когерентность при комнатной температуре. При этом наноалмазные кубиты страдают от нескольких недостатков, критичных для биологических исследований: во-первых, это большие размеры, во-вторых, неоднородность по морфологии, которая затрудняет их маркировку.

Физики из США под руководством Питера Маурера (Peter Maurer) из Университета Чикаго предложили использовать кубит на основе флуоресцентного белка в качестве квантового сенсора. Для этого ученые использовали полученный из медузы Aequorea victoria желтый флуоресцентный белок, в котором фотоактивный органический флуорофор находится в метастабильном состоянии и может быть использован в качестве спинового триплета. Спин в белке физики инициализировали с помощью оптических импульсов на длине волны 488 нанометров, а для характеризации триплетного состояния применили конфокальную микроскопию.

Оказалось, что в такой конфигурации эксперимента белок находится в когерентном состоянии очень малое время, которого не хватает для подробного изучения. Поэтому ученые изменили подход: оптическим импульсом на длине волны 912 нанометров они перевели кубит из триплетного состояния T1 в более высокоэнергетический триплет T2, время когерентности которого состояния авторы работы измерили методом спинового эха и выяснили, что в зависимости от приложенного магнитного поля время когерентности составило от 140 наносекунд до 16 микросекунд. Физики также продемонстрировали потенциал разработанного кубита в качестве датчика магнитного поля с точностью в 98 пикотесла при комнатной температуре (для сравнения протон на расстоянии пяти нанометров от кубита создает поле в 20 нанотесла), что оказалось возможным благодаря линейной чувствительности спинового контраста к внешнему магнитному полю.

Помимо этого ученые изучили возможность встраивания созданного кубита в клетки млекопитающих на примере клеток эмбриональных почек человека. Флуоресцентная визуализация показала, что белок остался локализованным внутри клеток и при этом чувствительным к внешнему магнитному полю.

Авторы работы отметили, что их результаты позволили создать перспективную платформу для квантовых датчиков, которые можно использовать в биологии. Однако необходимо использовать дополнительные методы для повышения времени когерентности кубита и его чувствительности к магнитному полю, чтобы добиться преимущества над существующими технологиями.

О том, как квантовый сенсор на основе алмаза помог измерить нейронную активность мозга на микромасштабе, мы писали ранее.