荧光蛋白自旋量子比特：一种可在活细胞中室温操作的生物相容性量子传感器

本研究首次实现了增强型黄色荧光蛋白（EYFP）作为光学寻址自旋量子比特（spin qubit），在液氮温度下实现相干控制（相干时间达16±2 μs），并在室温细胞环境中保持高达8%的自旋对比度。这项突破性工作将量子传感技术与基因编码技术相结合，为生命科学领域提供了新型纳米级磁场传感和自旋成像工具。

量子比特的革命性突破

量子比特（qubit）作为量子技术的基本单元，传统上主要基于固态系统开发。然而，荧光蛋白因其基因编码特性成为活体显微技术的金标准。这项开创性研究首次将增强型黄色荧光蛋白（EYFP）开发为光学寻址的自旋量子比特，开辟了生物相容性量子传感的新纪元。

荧光蛋白的量子特性

EYFP的荧光团位于β-桶状结构内部，具有高吸收截面和量子产率。通过488 nm激光脉冲初始化，荧光团在单重态（S₀和S₁）间循环后进入亚稳态三重态（T₁）。时间依赖密度泛函理论（TDDFT）计算显示T₁自旋密度完全离域在荧光团上。研究团队创新性地采用光学激活延迟荧光（OADF）读取方案，通过912 nm脉冲将体系激发至更高三重态（T₂），加速反向系间窜越（RISC），实现比传统方法快三个数量级的自旋读取。

精密的量子控制

通过光学检测磁共振（ODMR）光谱，研究人员解析出EYFP的零场分裂参数D=(2π)×2.356 GHz和E=(2π)×0.458 GHz，与理论计算高度吻合。在液氮温度（80 K）下，系统展现出高达20%的自旋对比度。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）退耦序列时，相干时间达到16±2 μs，比Hahn回波序列提高15倍。自旋-晶格弛豫时间随温度变化符合1/T₁=AT+BT⁷的规律，在80 K时为141 μs。

室温生物应用的突破

尽管室温下三重态去极化时间较短，研究团队通过同步施加微波脉冲和读取激光，在含水溶液中仍观测到有限ODMR对比度。在36.5 mT偏置场下，实现了2.7 mT Hz^-1/2的直流磁场灵敏度。特别值得注意的是，在人类胚胎肾（HEK）293T细胞（175 K）和大肠杆菌（室温）中表达的EYFP均保持自旋对比度和相干控制能力，证明其能适应复杂的细胞内环境。

未来应用前景

这项技术为生命科学带来多重可能性：1）通过基因融合实现纳米级电子顺磁共振（EPR）传感，可研究金属蛋白氧化态；2）利用零场分裂参数差异实现多色成像，理论上可区分20种"颜色"；3）结合超分辨成像技术，有望实现单分子自旋检测。通过氘代、优化光学系统和荧光循环等改进，灵敏度预计可提升500倍以上。

荧光蛋白量子比特平台的建立，成功融合了量子信息科学和生物工程两大领域的技术优势。其基因编码特性允许直接标记数千种目标蛋白，为研究细胞过程提供了前所未有的空间分辨率和特异性。这项突破不仅拓展了量子技术的生物医学应用边界，也为理解生命体系的量子效应开辟了新途径。