Sensor Kuantum Molekul Tunggal Pecahkan Rekod Koheren

Dengan memanjangkan tempoh koheren kepada kira-kira 400 mikrosaat serta menggunakan kaedah bacaan berasaskan wayar nano, pasukan tersebut membuka laluan ke arah pengimejan protein individu dan pemetaan struktur molekul pada tahap yang jauh lebih terperinci .

Mengapa koheren kuantum begitu penting?

Spin molekul—iaitu keadaan kuantum yang membawa maklumat penderiaan—kebiasaannya kehilangan koheren dalam tempoh kurang daripada kira-kira 10 mikrosaat. Tempoh yang singkat ini menyukarkan penyelidik menjalankan pengukuran yang bermakna .

Pasukan Waterloo menggunakan dua inovasi utama untuk mengatasi masalah tersebut.

Urutan kawalan baharu mengekalkan keadaan kuantum

Penyelidik membangunkan urutan penyahgandingan dipolar XYXY yang diubah suai. Teknik kawalan ini menekan interaksi dipolar antara elektron merentasi julat medan kawalan yang luas, lalu memanjangkan tempoh koheren kepada kira-kira 400 mikrosaat—sekitar 60 kali lebih lama berbanding teknik spin-echo standard dalam sistem yang sama .

“Cabaran utama ialah mengekalkan spin OX063 dalam keadaan koheren cukup lama supaya ia boleh digunakan sebagai sensor,” kata Sahand Tabatabaei, calon PhD di IQC dan penulis pertama kajian itu .

Isyarat dibaca secara mekanikal melalui wayar nano

Berbeza daripada sensor pusat NV dalam berlian yang lazimnya menggunakan bacaan optik, platform SQUINT mengesan isyarat kuantum secara mekanikal melalui probe wayar nano.

Wayar nano itu berdiameter kira-kira 100 nanometer—lebih kurang sebesar virus—dan panjangnya sekitar 20 mikrometer, hampir menyamai diameter sehelai rambut manusia . Pendekatan bacaan mekanikal ini merupakan sesuatu yang baharu dalam penderiaan kuantum. Ia juga membolehkan sensor diletakkan lebih hampir dengan molekul sasaran berbanding sensor berasaskan berlian .

Apa maknanya untuk pengimejan protein?

Kelebihan penting trityl-OX063 ialah molekul ini tidak terkunci dalam kekisi kristal seperti sensor NV berlian. Oleh itu, ia boleh dilekatkan secara kimia atau diletakkan dalam jarak beberapa nanometer daripada molekul sasaran .

Kawalan terhadap kedudukan sensor ini boleh membawa kepada beberapa aplikasi besar:

• Pemetaan struktur protein tunggal: Teknik pengimejan molekul hari ini sering memerlukan sampel besar dan menghasilkan gambaran purata. Sensor ini berpotensi mengukur persekitaran magnet atom individu dalam satu protein, sekali gus membantu membina peta struktur protein pada skala molekul .
• Penemuan ubat: Dengan melihat protein individu secara lebih tepat, penyelidik mungkin dapat memahami bagaimana penyakit berkembang pada tahap molekul dan bagaimana calon ubat berinteraksi dengan sasaran masing-masing. Pengetahuan itu berpotensi membantu menghasilkan rawatan yang lebih berkesan .
• Kedudukan sensor yang lebih dekat: Keupayaan menempatkan molekul sensor hanya beberapa nanometer daripada sasaran memberi kawalan pada skala molekul yang sukar dicapai oleh platform sedia ada .

Teknologi ini masih di peringkat awal

Walaupun potensinya besar, SQUINT belum lagi mampu memetakan setiap atom dalam satu protein. Buat masa ini, sensor tersebut boleh mengesan keadaan magnet kira-kira 10 spin nukleus .

Namun, Dr. Raffi Budakian, yang mengetuai kajian itu, berkata pasukan berkenaan mempunyai laluan yang jelas untuk mencapai sensitiviti spin tunggal—langkah penting bagi memetakan struktur molekul individu .

Justeru, pencapaian ini bukan bermaksud pengimejan protein tunggal sudah tersedia untuk kegunaan rutin. Sebaliknya, ia merupakan langkah praktikal ke arah menggunakan sensor kuantum untuk menjawab persoalan dalam biologi dan perubatan yang masih sukar diselesaikan dengan teknik klasik.