2026年8月25日——美国国家科学基金会（NSF）8月25日宣布，以3750万美元、为期五年的投资续建生物物理与生物工程量子传感量子跃迁挑战研究所（Quantum Leap Challenge Institute for 量子传感 for Biophysics and Bioengineering，简称NSF QuBBE），以推进量子传感技术的发展，揭示用传统工具难以或无法观察到的生物过程。

生物物理与生物工程量子传感量子跃迁挑战研究所（NSF QuBBE）于2021年首次成立，由芝加哥大学牵头，与芝加哥州立大学、伊利诺伊大学芝加哥分校、哈佛大学及其他合作机构共同建设。该研究所汇聚了量子科学家、工程师、化学家、生物学家和医生。

此次续期将使NSF QuBBE进入下一阶段：将量子传感从原理验证性测量推进为研究生物系统的稳健工具。研究所还将继续培养“量子人才队伍”，为量子科学与技术开辟人才培养路径。

在芝加哥大学，相关工作覆盖了芝加哥大学普利兹克分子工程学院、物理科学部、生物科学部和芝加哥大学医学中心。

“量子传感已经发展到能够开始解决真实生物学问题的阶段，”NSF QuBBE主任、化学系主任、芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授Greg Engel表示，“下一个挑战是让这些工具在生物实际发生的复杂环境中变得可靠、适应性强且实用。此次续期让我们能够迈出这一步。”

从量子实验到生物工具

量子传感器利用量子系统的特性进行极其精确的测量。在生物学中，它们可以提供新方法来观察使用传统技术难以触及的分子和纳米尺度细胞过程。

在第一阶段，NSF QuBBE支持了量子传感和生物学领域的多项进展，包括基因编码量子比特、能够检测细胞活动的纳米金刚石传感器、高场纳米尺度核磁共振的进展，以及利用量子纠缠进行生物传感的新方法。

例如，由芝加哥大学副教授Peter Maurer和李氏家族教授David Awschalom（两人均为NSF QuBBE联合首席研究员）及其合作者领导的研究表明，荧光蛋白可以充当自旋量子比特，为直接在细胞内进行基因表达的量子传感器开辟了可能性。

“量子传感已经发展到能够开始解决真实生物学问题的阶段。”

——Greg Engel教授

通过NSF QuBBE推动的科学融合，也促进了将量子传感推向生物医学应用的新努力，包括在芝加哥大学普利兹克分子工程学院与芝加哥大学医学中心和生物科学部合作下成立Berggren量子生物学与医学中心。该中心正在推进量子技术在医学领域的开发和应用，并培训医生和医生科学家在量子科学与医疗健康的交叉领域开展工作。

“四十多年来，NSF一直在为当今现代量子计算、传感和通信奠定基础性研究和发现工作，”履行NSF主任职责的Brian Stone表示，“现在是时候开展重点行动，利用这些知识基础推动我们走得更远，造福所有美国人。NSF量子跃迁挑战研究所是我们理解我们所生活的量子世界的下一步。”

四个研究领域

未来几年，NSF QuBBE将推动四个相互关联的研究领域取得进展：开发用于生物传感的新型量子纳米探针；探索量子纠缠与压缩态传感；推进量子传感器的体内测量；以及加速量子传感在生物学和医学中的推广应用。

研究人员将探索多种技术路线，从改进金刚石中的氮-空位中心，到开发可在生物系统内运行的蛋白质基量子传感器，同时研究量子纠缠、先进成像、理论和计算如何为实现生物活性测量提供新方法。

“下一阶段的机遇在于从一开始就将量子传感器与生物学问题整合在一起，”NSF QuBBE副主任兼联合首席研究员、芝加哥大学普利兹克分子工程学院Neubauer家族助理教授Allison Squires表示，“我们不是孤立地开发一项技术然后再寻找应用场景，而是可以针对我们希望这些工具最终发挥作用的复杂生物环境来设计它们。”

建设芝加哥的量子人才队伍

在NSF QuBBE的第一阶段，研究所与芝加哥州立大学合作建立了量子研究所，包括Q-Cert项目——一项为期一年的学士后量子科学认证项目。在下一阶段，NSF QuBBE计划扩展这一模式，包括在芝加哥州立大学推出量子硕士项目，并进一步整合本科、硕士和博士培养。

这项工作将补充芝加哥州立大学新建的量子教育、科学与技术中心CQuEST。该中心是该校的量子科学与微电子创新中心，在芝加哥量子生态系统发展过程中，将教育、研究和劳动力发展连接在一起。

“建设量子科学的未来，要求我们为学生开辟路径，让他们看到自己可以成为其中一员，”NSF QuBBE联合首席研究员、芝加哥州立大学劳动力发展负责人Valerie Goss表示，“通过与NSF QuBBE的合作，我们正在创造机会，让学生获得参与这一快速发展领域所需的知识、研究经验和人脉网络。”

NSF QuBBE还将扩展由伊利诺伊大学芝加哥分校教授Minjung Ryu领导的量子学院（Quantum Academy），通过实践学习、研究体验和教师专业发展，让芝加哥地区的高中生和教师参与量子科学。

将量子生物传感确立为一个领域

续期后的研究所将致力于让生物和医学研究人员更容易获得量子传感技术，扩大基础设施和用户能力，同时让生物学家、医生和其他潜在用户直接参与新技术的开发和测试。

量子传感器利用量子系统的特性进行极其精确的测量。

“NSF量子跃迁挑战研究所的设立是为了提出需要跨学科视角的雄心勃勃的问题，”Engel表示。他同时担任Berggren量子生物学与医学中心联席主任、芝加哥大学James Franck研究所和生物物理动力学研究所教授。“NSF QuBBE正是围绕其中一个问题而建：量子测量能否改变我们在生物学和医学中能够看到、理解并最终控制的事物？此次续期让我们有机会创造有影响力的研究成果，为这个重要问题提供答案。”