論文の概要: A fluorescent-protein spin qubit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.16835v2
• Date: Fri, 24 Jan 2025 20:54:55 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-28 13:50:03.775020
• Title: A fluorescent-protein spin qubit
• Title（参考訳）: 蛍光タンパク質スピン量子ビット
• Authors: Jacob S. Feder, Benjamin S. Soloway, Shreya Verma, Zhi Z. Geng, Shihao Wang, Bethel Kifle, Emmeline G. Riendeau, Yeghishe Tsaturyan, Leah R. Weiss, Mouzhe Xie, Jun Huang, Aaron Esser-Kahn, Laura Gagliardi, David D. Awschalom, Peter C. Maurer,
• Abstract要約: 黄色蛍光タンパク質(EYFP)の光調節可能なスピン量子ビットの実現 近赤外レーザーパルスは、最大44%のスピンコントラストを持つトリプレット状態の読み出しを可能にする。 哺乳類細胞では, 複雑な細胞内環境にもかかわらず, コントラストとコヒーレント制御を保ち, クビットを発現する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.479457641989854
• License:
• Abstract: Optically-addressable spin qubits form the foundation of a new generation of emerging nanoscale sensors. The engineering of these sensors has mainly focused on solid-state systems such as the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. However, NVs are restricted in their ability to interface with biomolecules due to their bulky diamond host. Meanwhile, fluorescent proteins have become the gold standard in bioimaging, as they are genetically encodable and easily integrated with biomolecules. While fluorescent proteins have been suggested to possess a metastable triplet state, they have not been investigated as qubit sensors. Here, we realize an optically-addressable spin qubit in the Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP) enabled by a novel spin-readout technique. A near-infrared laser pulse allows for triggered readout of the triplet state with up to 44% spin contrast. Using coherent microwave control of the EYFP spin at liquid-nitrogen temperatures, we measure a spin-lattice relaxation time of $(141 \pm 5)\, \mathrm{\mu s}$, a $(16 \pm 2)\, \mathrm{\mu s}$ coherence time under Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) decoupling, and a predicted oscillating (AC) magnetic field sensitivity with an upper bound of $183 \, \mathrm{fT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$. We express the qubit in mammalian cells, maintaining contrast and coherent control despite the complex intracellular environment. Finally, we demonstrate optically-detected magnetic resonance at room temperature in aqueous solution with contrast up to 3%, and measure a static (DC) field sensitivity with an upper bound of $93 \, \mathrm{pT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$. Our results establish fluorescent proteins as a powerful new qubit sensor platform and pave the way for applications in the life sciences that are out of reach for solid-state technologies.
• Abstract（参考訳）: 光適応可能なスピン量子ビットは、新しい世代のナノスケールセンサーの基礎を形成する。 これらのセンサーの工学は、主にダイヤモンドの窒素空孔(NV)中心のような固体システムに焦点を当てている。 しかし、NVは、ダイヤモンドの塊状ホストのため、生体分子と相互作用する能力に制限されている。 一方、蛍光タンパク質は遺伝子的にエンコード可能で、生体分子と容易に統合できるため、生体イメージングにおける金の標準となっている。 蛍光タンパク質は準安定な三重項状態を持つことが示唆されているが、クビットセンサーとして研究されていない。 そこで我々は, 新規なスピン読み取り技術によって実現された, 強化黄色蛍光タンパク質(EYFP)の光適応可能なスピン量子ビットを実現する。 近赤外レーザーパルスは、最大44%のスピンコントラストを持つトリプレット状態の読み出しを可能にする。 液体窒素温度におけるEYFPスピンのコヒーレントマイクロ波制御を用いて、スピン格子緩和時間(141 \pm 5)\, \mathrm{\mu s}$, a$ 16 \pm 2)\, \mathrm{\mu s}$コヒーレンス時間Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)デカップリング、予測発振(AC)磁界感度183 \, \mathrm{fT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz-1/2}$。 哺乳類細胞では, 複雑な細胞内環境にもかかわらず, コントラストとコヒーレント制御を保ち, クビットを発現する。 最後に, 溶液中における室温での光検出磁気共鳴を最大3%のコントラストで示し, 93 \, \mathrm{pT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$で静的(DC)場感度を測定した。 我々の研究は蛍光タンパク質を強力な新しいクビットセンサープラットフォームとして確立し、固体技術には及ばない生命科学の応用の道を開いた。

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