Thoạt nhìn, sinh học và công nghệ lượng tử có vẻ không tương thích. Các hệ thống sống hoạt động trong môi trường ấm áp, ồn ào và đầy chuyển động liên tục, trong khi công nghệ lượng tử thường yêu cầu sự cô lập cực độ và nhiệt độ gần 0 tuyệt đối (0 Kelvin, hay −273.15∘C) để có thể vận hành.

Tuy nhiên, cơ học lượng tử là nền tảng của mọi thứ, bao gồm cả các phân tử sinh học. Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago (UChicago PME) đã biến một loại protein được tìm thấy trong tế bào sống thành một bit lượng tử (qubit) có thể hoạt động, vốn là nền tảng của các công nghệ lượng tử. Qubit protein này có thể được sử dụng như một cảm biến lượng tử có khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ nhất, và cuối cùng mang lại những hiểu biết sâu sắc chưa từng có về các quá trình sinh học.

"Thay vì sử dụng một cảm biến lượng tử thông thường và cố gắng 'ngụy trang' nó để đưa vào một hệ thống sinh học, chúng tôi muốn khám phá ý tưởng sử dụng chính hệ thống sinh học và phát triển nó thành một qubit. Khai thác sức mạnh của tự nhiên để tạo ra các họ cảm biến lượng tử mạnh mẽ—đó chính là hướng đi mới", David Awschalom, đồng chủ nhiệm dự án, Giáo sư Kỹ thuật Phân tử tại UChicago PME và giám đốc Sàn giao dịch Lượng tử Chicago (CQE), cho biết.

Thành tựu đa ngành này đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Nature.

Không giống như các vật liệu nano nhân tạo, qubit protein có thể được tạo ra trực tiếp bởi các tế bào, được định vị với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử và có thể phát hiện các tín hiệu mạnh hơn hàng nghìn lần so với các cảm biến lượng tử hiện có. Trong tương lai, những qubit protein này có thể tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chụp cộng hưởng từ (MRI) cấp độ nano dựa trên công nghệ lượng tử, giúp hé lộ cấu trúc nguyên tử của bộ máy tế bào và thay đổi cách chúng ta thực hiện nghiên cứu sinh học. Ngoài lĩnh vực sinh học, qubit protein cũng có thể mở ra những giới hạn mới để thúc đẩy chính công nghệ lượng tử.

"Những phát hiện của chúng tôi không chỉ mở ra những phương thức cảm biến lượng tử mới bên trong các hệ thống sống mà còn giới thiệu một cách tiếp cận hoàn toàn khác biệt để thiết kế vật liệu lượng tử. Cụ thể, giờ đây chúng ta có thể bắt đầu sử dụng các công cụ của chính tự nhiên là sự tiến hóa và tự lắp ráp để vượt qua một số rào cản mà công nghệ lượng tử dựa trên spin hiện tại đang đối mặt", Peter Maurer, đồng chủ nhiệm dự án và trợ lý giáo sư kỹ thuật phân tử tại UChicago, nói.

Các protein huỳnh quang được mã hóa di truyền, giống như loại được sử dụng trong nghiên cứu này, đã trở thành một công cụ quan trọng trong sinh học tế bào trong hai thập kỷ qua, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các quá trình diễn ra bên trong tế bào. Việc biến một trong những protein này thành cảm biến lượng tử cho phép nghiên cứu các hệ thống sinh học ở mức độ sâu hơn và chính xác hơn nữa. Mặc dù nghiên cứu này mới chỉ sử dụng một loại protein huỳnh quang, các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều loại protein và hệ thống khác, mở ra vô số khả năng cho các nghiên cứu trong tương lai.

Benjamin Soloway, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nghiên cứu sinh tiến sĩ lượng tử tại phòng thí nghiệm của Awschalom ở UChicago PME chia sẻ: "Đây là một sự thay đổi thực sự thú vị. Thông qua kính hiển vi huỳnh quang, các nhà khoa học có thể quan sát các quá trình sinh học nhưng chỉ có thể suy luận những gì đang xảy ra ở cấp độ nano. Giờ đây, lần đầu tiên, chúng ta có thể đo lường trực tiếp các thuộc tính lượng tử bên trong các hệ thống sống".

Awschalom và Maurer nhấn mạnh rằng sự kiên trì của các sinh viên trong nhóm là yếu tố sống còn đối với thành công của dự án.  "Các dự án nghiên cứu thường kéo dài nhiều năm và kết quả thì không hề chắc chắn. Dự án này cũng không ngoại lệ", Jacob Feder, một đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là cựu sinh viên của Awschalom và Maurer, nói.

Các qubit dựa trên protein mới này vẫn chưa thể sánh được với độ nhạy của các cảm biến lượng tử tốt nhất hiện nay, vốn thường được làm từ các khiếm khuyết trong kim cương. Nhưng vì chúng có thể được mã hóa di truyền vào các hệ thống sống, chúng hứa hẹn một điều còn đột phá hơn nhiều: khả năng quan sát sinh học diễn ra ở cấp độ lượng tử, từ sự cuộn gập của protein và hoạt động của enzyme cho đến những dấu hiệu sớm nhất của bệnh tật.

Theo như Soloway đã nói, chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên mà ranh giới giữa vật lý lượng tử và sinh học bắt đầu xóa nhòa. Đó chính là nơi mà những đột phá khoa học thực sự sẽ xảy ra.

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/2025-08-scientists-cells-biological-qubit-multidisciplinary.html, 21/8/2025