科学突破催生"荧光生物量子比特"：或将人体细胞转化为量子传感器

荧光蛋白可在细胞内转化为量子比特，帮助人类在纳米尺度上更深入地理解生命活动。

一项新科学突破表明，基于蛋白质的量子比特可能成为在微观尺度加速生物学研究的关键。芝加哥大学研究团队发现将荧光蛋白转化为生物量子比特的方法，该量子比特可直接在细胞内构建，用于探测细胞内部的磁电信号。这项突破发表在《自然》杂志。

共同首席研究员、芝加哥大学分子工程学助理教授彼得·莫雷尔表示："该发现不仅为生命系统内部的量子传感开辟新途径，更引入了颠覆性的量子材料设计思路。我们可以运用自然界固有的进化与自组装工具，突破当前自旋量子技术面临的瓶颈。"

通过利用显微镜技术现有荧光蛋白开发可在细胞内部署的生物量子比特，该研究规避了改造现有量子设备以适应生物系统的需求。未来有望实现无需极端冷却与隔离的量子传感器。

荧光蛋白广泛存在于海洋生物中，能吸收特定波长光并发射更长波长的光（如水母发光现象）。生物学家常通过基因编码和蛋白质融合技术将其用作细胞标记。研究团队发现，这些蛋白中负责发光的荧光团因具有亚稳态三重态特性，可作为量子比特使用。当分子吸收光跃迁至激发态时，两个最高能级电子呈平行自旋，该状态短暂维持后衰减。在量子力学层面，分子处于多重态叠加状态，直至被观测或外界干扰打破。

为此研究人员定制了共聚焦显微镜系统，利用激光对增强型黄色荧光蛋白的自旋态进行光学调控，使其在纯化蛋白质、人体肾细胞和大肠杆菌中发挥量子比特功能。他们先用488纳米激光脉冲诱导荧光蛋白自旋态，再用近红外激光脉冲读取三重态自旋信号，自旋对比度最高达20%，足以将蛋白质作为有效量子比特使用。通过微波维持自旋在能级间的相干振荡，蛋白质能以量子比特状态持续工作约16微秒。

该生物量子比特可作为量子传感器捕捉细胞内部活动，有望在纳米尺度解析蛋白质折叠、追踪细胞生化反应、监测药物与靶细胞结合等过程，推动医学成像技术与疾病早期诊断发展。

尽管这项突破已超越概念验证阶段，但实际应用仍存挑战：荧光蛋白自旋态操控需维持液氮温度；在哺乳动物细胞中虽验证有效性（突破性进展），仍需冷却至175开尔文（-98.15℃）；室温下仅在细菌细胞中能以最高8%对比度工作，且自旋态快速衰减。目前其灵敏度仍落后于金刚石缺陷等固态传感器，稳定性和灵敏度提升是迈向生物医学实际应用的关键。

这项突破性研究模糊了量子物理与生物学的界限，为量子技术开辟了直接向细胞编码量子比特的全新方向。

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