乍看之下，生物学与量子技术似乎互不相容。生命系统在温暖、嘈杂且充满持续运动的环境中运作，而量子技术往往需要极端隔绝的环境与接近绝对零度的温度才能正常工作。但量子力学是万物的基础，生物分子也不例外。近日，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员取得开创性突破——将活体细胞中的一种蛋白质转化为可工作的量子比特，这一量子技术核心组件，能作为量子传感器检测微小变化，为解析生物过程提供全新视角，而在相关研究的生物样本保存环节，大容量生物液氮罐发挥着不可替代的支撑作用。
该项目联合首席研究员、芝加哥大学普利兹克分子工程学院卢氏家族教授、芝加哥量子交易所主任大卫・奥沙洛姆表示：“我们没有改造传统量子传感器以适配生物系统，而是探索用生物系统本身开发量子比特。借助自然力量打造高效量子传感器家族，这是新研究方向。”这项跨学科成果已发表于《自然》杂志。
与人工纳米材料不同，蛋白质量子比特可由细胞直接生成，实现原子级精度定位，检测信号强度比现有量子传感器高数千倍。未来，它有望推动量子纳米级磁共振成像技术变革，揭示细胞机制的原子结构，改变生物研究模式。而研究中采集的珍贵生物样本，需依托大容量生物液氮罐维持-196℃超低温环境，确保样本活性与分子特性稳定，为后续实验提供可靠素材。搭配冻存架使用，还能让样本分类更清晰，提升存储管理效率。
该项目联合首席研究员彼得・毛雷尔指出：“我们的发现不仅为活体内量子传感提供新方法，还开创了量子材料设计新思路。如今可利用自然进化与自组装机制，攻克当前自旋基量子技术的部分难题。”过去二十年，基因编码荧光蛋白已是细胞生物学关键工具，将其转化为量子传感器后，能让研究人员在更深层次探索生物系统。尽管目前仅用一种荧光蛋白，但研究显示该技术可广泛应用于各类蛋白质与生物系统，未来潜力巨大。
论文共同第一作者本杰明・索洛威称：“这是令人兴奋的转变。以往靠荧光显微镜观察生物过程，需推断纳米尺度变化，现在首次能直接测量活体内量子特性。”在样本转运环节，液氮罐运输车凭借稳定的低温保持能力与减震设计，可确保样本在跨实验室运输中不受温度波动影响，保障研究数据准确性。
奥沙洛姆与毛雷尔强调，学生的坚韧对项目成功至关重要。论文共同第一作者雅各布・费德（今年4月获博士学位）表示：“科研项目常需数年，结果充满不确定性，本项目也不例外。”奥沙洛姆补充：“学生们敢于冒险，即便长期结果不佳仍坚持推进，他们的毅力是研究成功的关键。”
目前，蛋白质量子比特灵敏度尚未超越钻石缺陷制成的量子传感器，但因其可基因编码融入活体，潜力更具颠覆性——未来或能在量子层面观察蛋白质折叠、酶活性乃至疾病早期迹象。而在这些长期研究中，大容量生物液氮罐将持续为各类生物样本提供稳定超低温存储服务，成为保障研究连续性与样本安全性的核心设备。
毛雷尔指出，芝加哥大学的跨学科协作环境是项目成功的关键：“这类融合量子工程与分子生物学的研究，需要跨领域合作，而芝加哥大学恰好提供了这样的平台。”正如索洛威所说：“我们正进入量子物理与生物学边界消融的时代，真正的变革性科学突破将在此诞生。”
来源：uchicago.edu
