2026年8月10日——2025年，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员将一种存在于活细胞中的蛋白质转化为功能性量子比特（qubit），这是一项同类首创的突破——一种蛋白质量子比特或传感器，能够检测微小变化，最终为生物过程提供前所未有的洞察。

美国国家科学基金会教师早期职业发展计划（CAREER）新授予的一笔40万美元资助将推动这项工作的进展，解决光漂白和读出保真度问题，以更深入地探索细胞如何在单分子水平上运作。

“改进生物量子比特作为传感器的应用，将使生物学家能够在原子分辨率下研究疾病的基本机制，为从癌症到神经退行性疾病等各类疾病提供关键见解，”资助获得者、副教授Peter Maurer表示。“在教育层面，这将支持创建一支多学科的量子人才队伍，积极吸纳化学家、物理学家和生物物理学家。”

量子生物传感器的工作原理，正是利用那个让量子计算变得复杂的难题。量子比特——量子计算机的构建模块——极其挑剔；最轻微的环境扰动就会导致量子比特状态崩溃。

当构建下一代量子计算机的研究人员努力对抗这种过度敏感时，量子生物传感器研究人员却拥抱这种特性，利用它以前所未有的清晰度在最微小的尺度上测量活细胞的功能。这种量子技术与生物工程的跨学科结合是芝加哥大学PME快速增长的领域，也是支撑芝加哥大学PME伯格伦量子生物学与医学中心的关键技术之一。

但许多最适合生物传感器的量子比特存在于小块钻石的氮空位中。

“将钻石传感器带入活细胞内部并保持细胞功能不受干扰，仍然是一个悬而未决的挑战。如果灵敏的探针无法被定位到正确位置，那将无济于事，”Maurer说。“我们的量子比特克服了这一挑战。然而，它们的灵敏度仍然有限。我们正在努力克服灵敏度方面的挑战。”

目前的大部分研究（包括Maurer自己的研究）都致力于提高基于钻石的量子生物传感器的生物相容性。当Maurer与芝加哥大学PME教授David Awschalom创造出一种以黄色荧光蛋白编码的功能性生物量子比特时，他们创造了一种承诺实现完全生物相容性的材料。蛋白质量子比特还可以通过基因编码，以原子级精度定位在细胞内的精确预定位置。

《物理世界》将这一成就评为2025年十大物理学突破之一。

新的NSF CAREER资助希望在那一突破的基础上继续推进。Maurer和他的团队将利用这笔资金：深入了解光漂白如何影响荧光蛋白；开发单分子水平的新型读出方法；以及设计分子自旋相干性，并将灵敏度基准显著提升至远超当前标准。

“对于一项将量子研究与生命科学领域结合在一起的技术来说，这是一个激动人心的时刻，”Maurer说。“我们感谢NSF对量子技术和人类健康未来的大力投资。”