02 了解事物

Maurer 解釋說，要理解這項工作，了解一點量子力學(xué)會有所幫助。

“據(jù)我們所知，量子力學(xué)是一個偉大的理論，它幾乎可以完整地解釋世界，”毛雷爾說?！八忉屃嗽尤绾谓Y(jié)合在一起以及驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)的因素，這可以解釋生物學(xué)和細胞如何工作。從某種意義上說，量子力學(xué)是我們現(xiàn)在所擁有的世界上最基本的理論。”

量子力學(xué)還包含一些最違反直覺的科學(xué)原理，如疊加和量子隧穿。多年來，像 Maurer 這樣的工程師已經(jīng)找到了將這些原則應(yīng)用于行業(yè)變革技術(shù)開發(fā)的方法。

原子鐘可以在 150 億年內(nèi)準確地將時間保持在 100 毫秒以內(nèi)，被認為是量子傳感的早期形式。自創(chuàng)建以來，它們已成為 GPS 和現(xiàn)代衛(wèi)星通信等多項復(fù)雜技術(shù)的支柱。就像原子鐘改變了時間測量一樣，像 Maurer 這樣的工程師希望改變許多其他現(xiàn)象的測量。

03 粗糙的鉆石

Maurer 自博士后以來，一直從事的一項應(yīng)用是研究細胞中的溫度。量子系統(tǒng)對溫度變化極為敏感。例如，量子計算機需要以接近絕對零的溫度存儲才能運行，需要一個人大小的冰箱。這種敏感性是量子計算的一個障礙，當(dāng)應(yīng)用于傳感時，它可以提供非常詳細的信息。

基于這種理解，Maurer 開發(fā)了小到可以插入活體生物學(xué)的傳感器。為此，他使用實驗室制造的鉆石，其中心設(shè)計有特定缺陷：即所謂的氮空位 (NV) 中心。由于其結(jié)構(gòu)，該缺陷具有稱為自旋的量子特性。

研究人員可以使用電磁輻射來改變鉆石內(nèi)部的自旋，就像用磁鐵移動指南針一樣。與其他工具配合使用，研究人員可以感知各種力，例如磁場和電場、壓力和溫度。

Maurer 方法的優(yōu)勢在于，他可以通過稱為內(nèi)吞作用的過程將其中一個納米傳感器“喂入”活細胞。一旦進入細胞，Maurer 的傳感器就可以在不破壞細胞正常功能的情況下監(jiān)測溫度，加熱部件并測量反應(yīng)。

了解細胞中的溫度至關(guān)重要，因為許多化學(xué)反應(yīng)都是由熱引發(fā)的，有時，這些反應(yīng)會導(dǎo)致不良結(jié)果，例如蛋白質(zhì)變性或錯誤折疊。

04 傳感的飛躍

目前，Maurer 正在與 芝加哥大學(xué)分子遺傳學(xué)和細胞生物學(xué)系助理教授David Pincus合作，作為美國國家科學(xué)基金會 生物物理和生物工程量子傳感量子躍遷挑戰(zhàn)研究所 (QuBBE) 的一部分。

他們一起研究熱休克反應(yīng)，這是人體篩選錯誤折疊蛋白質(zhì)的機制。他們的研究可能會解鎖解決蛋白質(zhì)錯誤折疊的新方法，并為神經(jīng)退行性疾病帶來新的測試或治療方法。對于 Maurer 來說，這是一個將他在量子工程方面的工作應(yīng)用于影響許多人的問題的機會。

“量子傳感器特別有吸引力，因為它們使我們能夠探測我們無法使用傳統(tǒng)技術(shù)訪問的分子和生物過程，”毛雷爾說?！巴ㄟ^這種方式，我們可以了解人類健康的內(nèi)部運作方式，而這正是我們的社會可以從量子技術(shù)中直接受益的東西。這是使用這項技術(shù)做一些有意義的事情的能力?！?

像 Maurer 正在開發(fā)的那些量子生物傳感器仍處于早期概念驗證階段，這意味著它們可能需要一段時間才能出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域。然而，他預(yù)測醫(yī)學(xué)研究人員將在未來 5-10 年內(nèi)開始看到它們的好處。