使用量子糾纏來研究蛋白質

密歇根大學化學家第一次使用量子糾纏來檢查蛋白質結構，這個過程只需要極少量的光子。

傳統上，科學家們使用強大的激光掃描顯微鏡來研究分子規模的蛋白質。但傳統的激光器存在兩個問題。首先，激光的強度會損壞檢查的樣品。其次，激光用光子轟擊樣品，然后光子從目標散射開。

相反，UM化學教授Theodore Goodson和他的團隊使用量子糾纏的方法僅使用少量光子來學習分子。在這種情況下，研究小組研究了黃素，一組對體內能量代謝至關重要的酶。

量子糾纏是一對或一組粒子的性質彼此依賴的觀點，即使粒子間隔很遠也是如此。例如，如果一個粒子在順時針位置旋轉，那么另一個粒子將以相反的方式旋轉，如果它們被糾纏在一起。古德森說，即使顆粒距離數千公里，這種關系依然存在。

“事實證明，如果你有光子糾纏在一起，那么高度的相關性就會以不同的方式與蛋白質分子相互作用，而不是它們沒有糾纏，”古德森說。“我們能夠用極少量的光子探測蛋白質的特性。”

通過將激光發射通過不大于指甲尖端的晶體來產生糾纏光子。當光以某種方式穿過晶體時，一些光子會纏繞在一起。然后使用這些纏結的對來檢查目標分子。

這些光子激發蛋白質中的電子態。基于電子輻射，分子在被光子激發時會發射，Goodson可以確定分子的特定屬性，這種方法稱為光譜學。

與傳統的激光光譜方法相比，糾纏光子光譜所需的光子數量非常低。

“你能想象一下你可以使用10個數量級的光子來探測材料，生物樣品或表面上非常少量化學物質的特殊特性嗎?”Goodson說。

使用這種方法，Goodson和他的團隊能夠在黃素蛋白質中看到新的相互作用。觀察黃素蛋白，與使用經典光相比，該團隊能夠發現使用量子糾纏的光譜學差異。

Goodson說，這種方法為成像顯微鏡開辟了新的途徑。觀察糾纏光子與蛋白質中的分子相互作用可以向科學家們傳授關于這些分子的電子狀態的新知識。

“例如，在光合作用中，當光子為光合反應中心提供能量時，通過使用量子光可以增強這種效應的機制，”他說。“利用糾纏光子激發過程，可以優化并增強生物系統中的能量轉移過程。這可能會導致有關這些天然生物復合物中化學和生物過程的新信息。“