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A Pulsed Live-Cell Quantum Microscope for Entangled Solid State and Biological Qubits

Este artículo presenta un microscopio cuántico de células vivas pulsado capaz de manipular y detectar simultáneamente tanto cúbits biológicos codificados genéticamente como cúbits de espín de estado sólido dentro de la misma célula, permitiendo así la detección cuántica multiplexada y allanando el camino para explorar el entrelazamiento entre estos distintos sistemas cuánticos.

Autores originales: Javier Noé Ramos-Silva, Sangjun Noh, Minghao Jiang, Parisa Aghaei, Ayla Hazrathosseini, Jocelyn Leon, Philip Hemmer, Peter J. Burke

Publicado 2026-07-07

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CC BY 4.0

Autores originales: Javier Noé Ramos-Silva, Sangjun Noh, Minghao Jiang, Parisa Aghaei, Ayla Hazrathosseini, Jocelyn Leon, Philip Hemmer, Peter J. Burke

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un microscopio de alta tecnología que no solo toma fotos de las células, sino que realmente "habla" con las diminutas partículas cuánticas en su interior. Este artículo describe la creación de un nuevo tipo de microscopio diseñado para realizar dos trabajos muy diferentes al mismo tiempo, como un director que dirige dos orquestas diferentes simultáneamente.

Aquí está el desglose de lo que construyeron y lo que lograron, utilizando analogías sencillas:

Los dos "músicos" (Los cúbits)

El microscopio está diseñado para controlar dos tipos de "interruptores" cuánticos diminutos (llamados cúbits) que actúan como sensores:

El cúbit de estado sólido (La roca de diamante): Estos son defectos dentro de diamantes (específicamente centros Nitrógeno-Vacancia). Piensa en ellos como diminutas y súper estables agujas de brújula hechas de roca. Son excelentes para detectar campos magnéticos, pero usualmente están atrapados fuera de la célula.
El cúbit biológico (La proteína viviente): Estas son proteínas especiales dentro de células vivas (como MagLOV) que han sido diseñadas genéticamente para actuar como sensores cuánticos. Piensa en ellas como diminutas linternas vivientes que cambian su brillo según los campos magnéticos.

El problema: Dos lenguajes diferentes

Hasta ahora, los científicos tenían microscopios que podían hablar con las "rocas de diamante" o con las "proteínas vivientes", pero no con ambas al mismo tiempo.

Las Rocas de Diamante necesitan luz verde y ondas de radio de alta frecuencia (microondas) para ser controladas.
Las Proteínas Vivientes necesitan luz azul y ondas de radio de menor frecuencia para ser controladas.

Intentar usar un solo microscopio para ambos era como intentar tocar un piano y una batería al mismo tiempo con el mismo par de manos: era demasiado complicado de gestionar.

La solución: El "Microscopio Cuántico Pulsado"

El equipo construyó un nuevo microscopio que actúa como un director maestro. Puede cambiar entre estos dos "lenguajes" increíblemente rápido, permitiéndole controlar ambos tipos de sensores dentro de la misma célula viva al mismo tiempo.

Cómo funciona (La analogía):
Imagina una cámara que puede tomar fotos en ráfagas de milisegundos (pulsos) en lugar de un flujo constante de luz.

La Luz: Utiliza láseres que parpadean encendido y apagado en nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Puede parpadear en verde (para el diamante) y en azul (para la proteína) con una sincronización perfecta.
La Radio: Tiene una antena especial (un bucle debajo de la placa de Petri) que puede lanzar diferentes frecuencias de radio. Puede enviar ondas de radio de alta frecuencia (2.8 GHz) al diamante y ondas de radio de menor frecuencia (500–800 MHz) a la proteína.
El Movimiento: En lugar de mover la pesada platina del microscopio hacia adelante y hacia atrás (lo que sacudiría las delicadas células), el microscopio mantiene la muestra perfectamente quieta. Utiliza espejos de movimiento rápido (espejos galvo) para dirigir el haz de láser alrededor de la célula, como un puntero láser bailando sobre una pared.

Lo que realmente hicieron (Los resultados)

El artículo informa sobre la construcción de esta máquina y la prueba de que funciona. No solo la construyeron; la probaron con cuatro logros específicos:

Encontrando el diamante: Usaron el microscopio para encontrar un único sensor de "roca de diamante" incrustado en un trozo de diamante. Demostraron que podían leer su "brújula" magnética usando luz verde y ondas de radio.
el Midiendo la proteína: Cambiaron la configuración para observar células humanas vivas (células HeLa) que contenían los sensores de "proteína viviente". Demostraron que el microscopio podía ver estas proteínas con claridad.
La prueba "en vivo": Tomaron células vivas, las tiñeron con un colorante para ver su estructura, y demostraron que el microscopio podía obtener imágenes de ellas sin matarlas.
La gran victoria (Imagen simultánea): Esta es la afirmación principal. Pusieron las "rocas de diamante" (nanodiamantes) y las "proteínas vivientes" (MagLOV) en la misma célula viva. Encendieron el microscopio e imágenes de ambos tipos de sensores al mismo tiempo con éxito.

Por qué esto es importante (Según el artículo)

Los autores dicen que este es el primer momento en que una sola máquina ha sido capaz de manejar ambos sistemas cuánticos tan diferentes en una célula viva.

Describen esto como un paso hacia el "santo grial" de un futuro experimento donde podrían intentar "entrelazar" (vincular) un sensor de diamante con un sensor de proteína. Imagina vincular una roca del mundo exterior con una parte viva de una célula para que compartan un único estado cuántico. El artículo dice que este microscopio específico es la primera herramienta construida que es capaz de intentar ese experimento.

En resumen: Construyeron un microscopio versátil y de alta velocidad que puede hacer malabares con dos tipos diferentes de sensores cuánticos dentro de una célula viva, demostando que ahora podemos estudiar tanto la física cuántica de la "roca" como la de la "proteína" en el mismo entorno biológico.

Resumen Técnico: Un microscopio cuántico de célula viva pulsado para qubits de estado sólido y biológicos entrelazados

Planteamiento del problema
El campo de la detección cuántica está definido actualmente por dos avances paralelos: la maduración de los qubits de espín de estado sólido (específicamente los centros nitrógeno-vacante (NV) en diamante) y la emergencia de qubits biológicos codificados genéticamente (como los pares de radicales con espín correlacionado en proteínas como MagLOV). Si bien los qubits de estado sólido han demostrado recientemente la capacidad de utilizar el entrelazamiento para mejorar la sensibilidad y la resolución espacial, estos experimentos se han limitado a sustratos de diamante diseñados mediante ingeniería. Por el contrario, la investigación de qubits biológicos ha dependido en gran medida de la detección de onda continua (CW), la cual sufre de limitaciones de estado estacionario y carece de la resolución temporal necesaria para sondear la dinámica rápida de los pares de radicales. Existe una brecha crítica en la literatura: no existe una plataforma capaz de manipular y leer simultáneamente tanto qubits de estado sólido como biológicos dentro del mismo entorno de célula viva utilizando protocolos pulsados. Esta limitación obstaculza el potencial de la detección cuántica híbrida y la exploración del entrelazamiento a través de la frontera entre el estado sólido y lo biológico.

Metodología
Los autores diseñaron e implementaron un microscopio cuántico pulsado basado en una arquitectura de muestra estacionaria e invertida de tipo confocal (Olympus IX71). El sistema integra tres subsistemas principales:

Configuración Óptica: El microscopio utiliza una vía de doble excitación que combina un láser de 520 nm (para centros NV) y un láser de 450 nm (para qubits biológicos). Estos haces se combinan mediante un espejo dicroico y se dirigen a través de un escáner galvo-galvo. La trayectoria óptica emplea cuatro sistemas de imagen $4f$ anidados para asegurar que el escaneo del haz no altere el tamaño o la posición del haz en la apertura posterior del objetivo, manteniendo un rendimiento limitado por la difracción.
- Pulsación: Para lograr una excitación con compuerta de nanosegundos, los autores compararon moduladores acusto-ópticos (AOM) frente a la modulación electrónica de la corriente del diodo láser. Implementaron un controlador electrónico personalizado de código abierto para los láseres acoplados por fibra, el cual ofrece relaciones de extinción altas y es más rentable en comparación con los AOM comerciales.
- Detección: La fluorescencia se descanea, se filtra espacialmente mediante un pinhole confocal y se detecta mediante un fotodiodo de avalancha de fotón único (SPD) con resolución temporal de picosegundos utilizando un Swabian Time Tagger 20.
Control de Microondas y RF: El sistema entrega campos magnéticos mediante una configuración de antena modular.
- Control de Estado Sólido: Una antena de bucle de PCB de banda ancha (compatible con placas de Petri) entrega pulsos de microondas desde DC hasta 5 GHz, cubriendo la resonancia de 2.87 GHz de los centros NV.
- Control Biológico: La misma antena soporta frecuencias más bajas (500–800 MHz) requeridas para la resonancia magnética impulsada por radiofrecuencia (RYDMR) de qubits biológicos como MagLOV.
- Electrónica de Control: La pulsación de microondas se sincroniza con la excitación óptica y la detección de fotones utilizando un Swabian Pulse Streamer 8/2. Los autores también demuestran una solución alternativa basada en FPGA (RFSoC) para la generación de formas de onda arbitrarias.
Software: Una interfaz gráfica de usuario (GUI) personalizada basada en Python (construida sobre Napari) controla los escáneres galvo, el DAQ y el hardware de temporización, permitiendo el imágenes en tiempo real, el conteo de fotones y la optimización automatizada de la pila $z$ .

Contribuciones Clave
El artículo reporta cuatro contribuciones técnicas específicas:

Integración Arquitectónica: La demostración de un microscopio invertido de muestra estacionaria y galvo-galvo que soporta tanto protocolos de excitación verde/colección roja para centros NV como protocolos de excitación azul/impulsados por RF para qubits biológicos en un solo banco óptico.
Benchmarking de Estado Sólido: Validación de la plataforma utilizando una placa de diamante implantada, logrando la resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) de un solo NV cerca de 2.87 GHz y midiendo un tiempo de relajación de espín ( $T_1$ ) de aproximadamente 1.3 ms bajo condiciones ambientales.
Compatibilidad Biológica: Imagen confocal exitosa de células HeLa vivas teñidas con TMRE y células que expresan la proteína MagLOV, demostrando que la trayectoria óptica puede reconfigurarse para fluorescencia biológica con cambios mínimos.
Imagen Simultánea de Célula Viva: La primera demostración de imagen simultánea de qubits biológicos (células HeLa que expresan MagLOV) y qubits de estado sólido (nanodiamantes internalizados mediante endocitosis) dentro de la misma célula.

Resultados

Caracterización de NV: El sistema logró una resolución lateral de ~300 nm (FWHM), consistente con el límite de difracción para la excitación de 520 nm. Los espectros de ODMR en onda continua (CW) mostraron un valle de resonancia claro en 2.87 GHz con ~1% de contraste. Las mediciones de $T_1$ pulsadas arrojaron un tiempo de relajación de $1.29 \pm 0.3$ ms.
Imagen Biológica: La plataforma resolvió con éxito la morfología celular y la fluorescencia mitocondrial en células teñidas con TMRE y células que expresan MagLOV.
Imagen Híbrida: Las imágenes confocales confirmaron la colocalización de nanodiamantes y células HeLa que expresan MagLOV, probando la capacidad del sistema para abordar ambos tipos de qubits simultáneamente en un entorno de célula viva.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo establece la infraestructura necesaria a nivel de microscopio para perseguir tres trayectorias de investigación convergentes:

Detección Avanzada de Estado Sólido: La plataforma está arquitectónicamente posicionada para soportar protocolos de detección de pares NV entrelazados (por ejemplo, estados de Bell y subespacios libres de decoherencia) previamente demostrados solo en sustratos estáticos, ahora potencialmente aplicables a entornos biológicos.
Detección Biológica Pulsada: La transición de la operación CW a la pulsada permite la RYDMR con resolución temporal y la espectroscopia de bomba-campo-sonda para qubits biológicos, superando las limitaciones de estado estacionario de los métodos actuales.
Interfaces Cuánticas Híbridas: Lo más significativo es que los autores postulan que este instrumento proporciona el primer camino experimental creíble para crear y medir el entrelazamiento entre un qubit NV de estado sólido y un qubit de espín biológico. Describen este entrelazamiento híbrido como el "verdadero santo grial de la interfaz cuántica con la biología", fusionando la larga coherencia de los centros NV con la capacidad de direccionamiento genético de los qubits alojados en proteínas.

El artículo concluye modestamente, señalando que, si bien los resultados actuales validan el hardware y la compatibilidad óptica, el objetivo final de demostrar el entrelazamiento híbrido sigue siendo un objetivo futuro habilitado por esta nueva plataforma.