量子技术近年来在科学研究和技术应用领域进展迅速。尤其是量子计算和量子传感领域,凭借其超越传统技术的精确度和信息处理能力,正在引发新一轮科技革命。近期,芝加哥大学的研究团队成功将生物学与量子技术融合,研发出了能在活细胞内部工作的"生物量子比特" - - 由蛋白质构成的量子传感器。这项研究不仅突破了量子态在复杂生物环境中易受干扰的传统难题,也为未来在细胞层面开展精准成像与检测带来了巨大潜力。 量子比特是量子计算和量子传感技术的核心单元,通常由诸如电子自旋或原子能级等量子态构成。它们对外部环境极其敏感,能够精确感知磁场、电场甚至温度变化,因而被视作超高灵敏度传感器。
然而,量子态的脆弱性也令其在温暖、活跃的生物系统内的存在与应用异常困难,因为生物系统中的热噪声和复杂化学反应极易破坏量子态。 传统的量子传感设备多以外部器件形式存在,难以直接进入细胞内部,因而面临着靶向性低、效率受限和稳定性差等挑战。为解决这一瓶颈,研究团队创新性地选择了生物系统本身的构件作为量子传感单元。他们将荧光蛋白进行改造和利用,使蛋白质不仅能够发光成像,还能承载并操控量子态,成为细胞自然产生的量子比特。 荧光蛋白早已成为生物成像的主力工具,研究者通过基因编码让细胞自行表达特定颜色的荧光蛋白,实现对细胞内靶蛋白或结构的可视化追踪。而该团队发现其中一种黄色荧光蛋白具备形成三重态(一种特定量子态)的能力,并开发了激光显微镜技术,能在极低温度甚至细胞环境下通过光学方法读取这些量子态信号。
这项研究的重要意义在于,量子比特不再是外来且单一功能的纳米结构,而是进化赋予生物自身的工具,通过遗传编码,细胞能够自主生成这些量子传感器,实现对自身纳米尺度环境的精准感知。研究负责人彼得·莫勒尔指出,这为设计量子材料开辟了一条全新路径,通过生物的进化和自组装机制,克服了传统自旋量子技术的诸多限制。 实验中研究人员不仅在极低温度下读取了荧光蛋白的量子信号,还证明在哺乳动物细胞中,蛋白依然能保持量子态的稳定读取。他们进一步在细菌细胞中表达该蛋白,并成功检测到了存在或缺失的磁场信号。这一成果为未来在单细胞层面实现量子磁共振成像(MRI)奠定了基础。 当前,医学影像技术如核磁共振成像虽能非侵入式观察人体内部结构,但分辨率仍受限于整体样本的尺度。
利用生物量子比特进行细胞级MRI,不仅可以揭示细胞内复杂的机械结构,还可用于观察药物如何与蛋白质结合,助力新药开发和疾病机理研究。 然而,要将这项技术转化为实际应用,还需跨越稳定性和灵敏度上的挑战。细胞内部环境的变化、多种干扰因素以及量子信息的寿命限制,都要求开发出更先进的量子读取和保护技术。此外,对荧光蛋白的进一步基因调控和化学修饰也是提升性能的关键方向。 除了医学和生物学领域的潜在应用,生物量子比特的诞生也推动了量子材料科学的进步。传统量子材料往往依赖复杂的制备工艺和冷却条件,而生物系统则通过自然选择发展出精密且高度适应环境的结构,具备自我修复和组装能力。
借鉴这种天然优势,有望打造出新一代智能量子材料,拓展量子技术的适用范围。 量子科学的另一个瓶颈是实现量子态的可控性和可读性。此次研究通过特殊的荧光显微技术,实现了在复杂的细胞环境中对量子态的光学读取,为量子信息的实时监控和操作提供了新途径。未来,结合人工智能和机器学习,这些技术有望实现自动化、高通量的细胞级量子测量。 科学家大卫·奥斯卡罗姆表示,与其尝试将传统量子传感器"伪装"置入生物系统,不如利用自然生物系统自身发展出的分子,让细胞成为量子技术的载体和制造者。这种思路不仅顺应了自然规律,也降低了异质系统整合的复杂性。
总的来看,生物量子比特的诞生标志着量子技术与生命科学深度融合的重要里程碑。随着研究的不断深入,我们有望见证单细胞量子成像的日益成熟,借助量子传感器揭示生命过程中的微观动力学及环境变化。这将为生物医学研究打开新视角,加速疾病诊断、治疗和药物发现的进程。 展望未来,生物量子比特不仅能够提升量子传感的性能,还将催生新型生物量子器件,推动量子计算与合成生物学的交叉发展。伴随基因编辑技术的进步,科学家能够精确调控量子蛋白的表达和结构,使量子信息技术真正融入生物体内部,助力实现量子生物学的梦想。 这项跨学科的创新研究彰显了未来科技融合的巨大潜力。
量子传感器不再只是物理学家的专属工具,而将成为生物学家手中强大探测仪器,推动生命科学进入前所未有的细致探测时代。随着技术的完善和应用的拓展,基于生物量子比特的量子传感将可能成为未来医疗健康和生命科学研究的核心支柱,带来革命性变革。 。
