使用量子纠缠来研究蛋白质

密歇根大学化学家第一次使用量子纠缠来检查蛋白质结构，这个过程只需要极少量的光子。

传统上，科学家们使用强大的激光扫描显微镜来研究分子规模的蛋白质。但传统的激光器存在两个问题。首先，激光的强度会损坏检查的样品。其次，激光用光子轰击样品，然后光子从目标散射开。

相反，UM化学教授Theodore Goodson和他的团队使用量子纠缠的方法仅使用少量光子来学习分子。在这种情况下，研究小组研究了黄素，一组对体内能量代谢至关重要的酶。

量子纠缠是一对或一组粒子的性质彼此依赖的观点，即使粒子间隔很远也是如此。例如，如果一个粒子在顺时针位置旋转，那么另一个粒子将以相反的方式旋转，如果它们被纠缠在一起。古德森说，即使颗粒距离数千公里，这种关系依然存在。

“事实证明，如果你有光子纠缠在一起，那么高度的相关性就会以不同的方式与蛋白质分子相互作用，而不是它们没有纠缠，”古德森说。“我们能够用极少量的光子探测蛋白质的特性。”

通过将激光发射通过不大于指甲尖端的晶体来产生纠缠光子。当光以某种方式穿过晶体时，一些光子会缠绕在一起。然后使用这些缠结的对来检查目标分子。

这些光子激发蛋白质中的电子态。基于电子辐射，分子在被光子激发时会发射，Goodson可以确定分子的特定属性，这种方法称为光谱学。

与传统的激光光谱方法相比，纠缠光子光谱所需的光子数量非常低。

“你能想象一下你可以使用10个数量级的光子来探测材料，生物样品或表面上非常少量化学物质的特殊特性吗?”Goodson说。

使用这种方法，Goodson和他的团队能够在黄素蛋白质中看到新的相互作用。观察黄素蛋白，与使用经典光相比，该团队能够发现使用量子纠缠的光谱学差异。

Goodson说，这种方法为成像显微镜开辟了新的途径。观察纠缠光子与蛋白质中的分子相互作用可以向科学家们传授关于这些分子的电子状态的新知识。

“例如，在光合作用中，当光子为光合反应中心提供能量时，通过使用量子光可以增强这种效应的机制，”他说。“利用纠缠光子激发过程，可以优化并增强生物系统中的能量转移过程。这可能会导致有关这些天然生物复合物中化学和生物过程的新信息。“