Светящиеся молекулы, впервые выделенные из медузы Aequorea victoria, на протяжении десятилетий помогают биологам отслеживать активность генов, движение белков в организме и развитие заболеваний. Теперь же физики выяснили: эти же молекулы можно превратить в элементы квантового устройства — так называемые кубиты.
Специалисты Чикагского университета под руководством Петера Маурера показали, что модифицированные особым образом флуоресцентные белки могут вести себя так же, как базовые единицы информации в квантовых компьютерах. Более того, благодаря своим особенностям, эти молекулы могут быть квантовыми сенсорами для живых клеток. Как объясняет Маурер, «белки, которые биологи используют как обычные маркеры, можно превратить в чувствительные элементы, способные улавливать магнитные поля и другие физические воздействия».
Суть открытия связана с так называемым триплетным состоянием — особым энергетическим уровнем, которого иногда достигают электроны в молекуле, когда белок светится. Обычно это мешает биологам: свечение становится «мигающим», теряется стабильность сигнала. Но для физиков это стало находкой — именно в триплетном состоянии возможна квантовая суперпозиция, а значит, белок может реагировать на внешние поля и работать как квантовый датчик. При воздействии магнитного поля интенсивность свечения меняется примерно на 30 %, и эту разницу можно регистрировать прямо в живых клетках.
Главное преимущество такого подхода — миниатюрность и «встроенность». В отличие от громоздких алмазных квантовых сенсоров, флуоресцентные белки можно синтезировать непосредственно внутри клетки, прикрепив к интересующему ученых белку. Таким образом, можно наблюдать квантовые эффекты там, где они реально происходят — в биологических системах.
Перспективы практического применения этой разработки широки: с помощью таких белков можно будет фиксировать слабейшие магнитные сигналы нейронов, отслеживать состояние стресса в клетках или даже разрабатывать новые методы диагностики, вплоть до раннего выявления рака. Авторы работы надеются, что дальнейшее совершенствование белков сделает их более устойчивыми и чувствительными.
По словам коллег Маурера, развитие этой технологии стало возможным благодаря объединению двух областей науки, которые раньше редко пересекались — квантовой физики и молекулярной биологии. «Это только начало, — отмечает физик Анна Джайич из Калифорнийского университета. — Мы впервые видим, как живые системы могут стать полноценной частью квантовых технологий».
Ранее ученые выяснили, как картирование генов помогает контролировать воспаления и рак.