Кубиты теперь выращивают в пробирках: биологический прорыв, который изменит нано-МРТ — первые подробности

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) добились прорыва: они создали квантовый бит (кубит) на основе белка — строительного элемента живой клетки. Это открытие открывает новые перспективы для квантовых вычислений, создания "живых квантовых датчиков” и изучения биологических процессов на атомном уровне. Результаты описаны Quantum Insider.

Кубит — это фундаментальная единица информации в квантовых вычислениях и квантовых датчиках. Его особенность в том, что он может находиться в нескольких состояниях одновременно, что позволяет обрабатывать данные с невероятной скоростью или чувствительностью.

Но до сих пор кубиты требовали особых условий: сверхнизких температур и тщательно изолированной среды, поскольку любое "шумное" вмешательство разрушало квантовое состояние. Кубиты являются ключевым элементом квантовых компьютеров и датчиков, но требуют особых условий для работы.

Использовать саму природу: улучшенный желтый флуоресцентный белок и создание квантового элемента

Команда UChicago пошла по новому пути. Вместо того чтобы пытаться встроить искусственный кубит в биологическую систему, они использовали саму природу. Ученые использовали улучшенный желтый флуоресцентный белок (EYFP).

Этот белок хорошо известен биологам: его обычно применяют как "подсветку" в экспериментах — он светится под определенным светом, позволяя наблюдать, что происходит в клетке. Теперь же исследователи смогли превратить его в квантовый элемент — кубит. Использование биологических систем для создания кубитов может открыть новые возможности для квантовых технологий.

Этот квантовый бит можно было создавать и контролировать с помощью микроволн, а его состояние — считывать с помощью света. Он показывал стабильность спина и признаки магнитного резонанса, как настоящий кубит. Причем работал не только в идеально чистых лабораторных условиях, но даже внутри живых клеток. Белковый кубит продемонстрировал квантовые свойства и способность работать в живых клетках.

Дэвид Авшалом: вместо встраивания квантового датчика — превращение биологической системы в кубит

"Вместо того, чтобы взять обычный квантовый датчик и пытаться встроить его в биологическую систему, мы хотели использовать саму биологическую систему и превратить ее в кубит", — объяснил Дэвид Авшалом, руководитель проекта.

Интеграция квантовых технологий и биологических систем открывает новые перспективы для изучения и управления живыми организмами.

Этот шаг ломает прежние представления о разделении квантовой физики и биологии. Долгое время считалось, что квантовые явления невозможны в живых системах, по той причине, что они слишком теплые, влажные и хаотичные. Однако недавние открытия показали, что это не так, а новая работа подтвердила, что квантовое поведение может существовать даже в клетке. Результаты исследования опровергают представления о невозможности существования квантовых явлений в живых системах.

Хотя белковые кубиты пока уступают по точности современным квантовым сенсорам, например, созданным на основе алмазов, у них есть уникальное преимущество. Их можно закодировать в генах, встроив прямо в клетку.

Это делает возможным создание "живых квантовых датчиков", которые способны регистрировать фундаментальные процессы в реальном времени. "Живые квантовые датчики” могут использоваться для изучения биологических процессов на молекулярном уровне.

Сворачивание белка и первые стадии болезней: новые возможности для наблюдения

По словам авторов, это может открыть дорогу к наблюдению таких явлений, как сворачивание белка или первые стадии развития болезней. В перспективе технология приблизит создание квантовой нано-МРТ, которая позволит рассматривать атомную структуру клеток с беспрецедентной точностью. Квантовые нано-МРТ могут использоваться для диагностики и лечения различных заболеваний.

"Мы вступаем в эпоху, когда граница между квантовой физикой и биологией начинает растворяться. Вот где произойдет трансформационная наука", — отметил аспирант и соавтор исследования Бенджамин Соловей.

Интеграция квантовой физики и биологии может привести к новым научным открытиям и технологическим прорывам.

Со-главный исследователь Питер Маурер добавил, что этот эксперимент открывает новые горизонты для самой области квантовых технологий, предлагая "радикально другой подход к проектированию квантовых материалов".

Интересные факты о квантовых вычислениях

Квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи гораздо быстрее, чем классические компьютеры.
Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики, такие как суперпозиция и запутанность.
Квантовые компьютеры могут быть использованы для разработки новых материалов, лекарств и алгоритмов искусственного интеллекта.

В заключение, создание кубита на основе белка является важным шагом в развитии квантовых технологий и открывает новые перспективы для изучения биологических процессов. "Живые квантовые датчики” и квантовая нано-МРТ могут привести к прорывам в медицине, биологии и других областях науки.