Учёные из Чикагского университета и их коллеги создали первый оптически управляемый спиновый кубит на основе генетически кодируемого флуоресцентного белка EYFP — вместо традиционных твёрдых материалов, таких как алмаз или полупроводники. В этом белке им удалось сформировать двухуровневую квантовую систему, использующую долгоживущее триплетное состояние молекулы, где возможно управление спином электронов.
В работе применялся усовершенствованный вариант белка EYFP, широко используемого в клеточной биологии в качестве безопасной и яркой метки. Инициализация кубита выполнялась коротким синим лазерным импульсом, переводящим белок в возбуждённое синглетное состояние, после чего часть молекул переходила в триплетное состояние с определённой ориентацией спина.
Считывание информации производилось с помощью инфракрасного импульса (912 нм), который возвращал систему из триплетного состояния в основное. При этом возникал сигнал задержанной флуоресценции, чётко отделяемый по времени и интенсивности от фонового свечения, что позволяло точно определять спиновое состояние.
Управление спином осуществлялось последовательностью микроволновых сигналов, меняющих конфигурацию состояния. Это подтвердило возможность контролируемого управления и считывания квантового состояния в белковой среде.
В экспериментах при температуре 80 К удалось достичь контраста сигнала между спиновыми уровнями до 20% по одному направлению и 10% — по другому. Время когерентности кубита, в течение которого сохраняется квантовая информация, достигло 16 микросекунд — в 15 раз больше, чем при базовых схемах управления. Время релаксации T1 составило 141 микросекунду. Эти результаты демонстрируют стабильность белкового кубита для практических квантовых операций.
Параметры расщепления спиновых уровней (D = 2,356 ГГц, E = 0,458 ГГц), измеренные методом ODMR-спектроскопии, совпали с результатами численного моделирования и характеризуют энергетическую структуру системы.
Важным достижением стала демонстрация работы кубита в биологической среде: в клетках человека (линия HEK 293T) и бактериях E. coli, в том числе при комнатной температуре. В клетках HEK с концентрацией EYFP около 11 мкМ сигналы магнитного резонанса регистрировались с контрастом до 8% даже на фоне сильной автофлуоресценции, что открывает возможности для диагностики in vivo.
Основные текущие ограничения технологии — чувствительность и количество регистрируемых фотонов на молекулу — пока уступают параметрам алмазных сенсоров на NV-центрах. Однако ключевое преимущество белковых кубитов — возможность генетического внедрения в целевые клетки и точного нацеливания на конкретные биомолекулы.
Перспективы развития включают повышение яркости белка, усовершенствование оптических систем, увеличение числа детектируемых фотонов и оптимизацию белковой структуры методами направленной эволюции.
Впервые показана возможность использования генетически кодируемого белка в качестве полнофункционального кубита, управляемого светом непосредственно в живой клетке. Технология открывает путь к созданию наносенсоров для картирования магнитных и электрических полей на молекулярном уровне in vivo, что может революционизировать биофизику и биомедицинскую диагностику.
Источник: https://www.ixbt.com/news/2025/08/22/uchjonye-sozdali-pervyj-v-mire-kvantovyj-kubit-na-osnove-zhivog...
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/