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

Sintesi Tecnica: Un microscopio quantistico a impulsi per qubit solidi e biologici in cellule vive

Problematica
Il campo del sensing quantistico è attualmente definito da due avanzamenti paralleli: la maturazione dei qubit a spin allo stato solido (specificamente i centri Nitrogen-Vacancy (NV) nel diamante) e l'emergere di qubit biologici codificati geneticamente (come le coppie radicaliche a spin correlato in proteine come MagLOV). Mentre i qubit allo stato solido hanno recentemente dimostrato la capacità di utilizzare l'entanglement per migliorare la sensibilità e la risoluzione spaziale, questi esperimenti sono stati confinati a substrati di diamante ingegnerizzati. Al contrario, la ricerca sui qubit biologici si è ampiamente basata sulla rilevazione a onda continua (CW), che soffre di limitazioni di regime stazionario e manca della risoluzione temporale necessaria per sondare la dinamica rapida delle coppie radicaliche. Esiste una lacuna critica nella letteratura: non esiste una piattaforma esistente capace di manipolare e leggere simultaneamente sia i qubit allo stato solido che quelli biologici all'interno dello stesso ambiente di cellula viva utilizzando protocolli a impulsi. Questa limitazione ostacola il potto di sensing quantistico ibrido e l'esplorazione dell'entanglement attraverso il confine solido-biologico.

Metodologia
Gli autori hanno progettato e implementato un microscopio quantistico a impulsi basato su un'architettura confocale invertita a campione stazionario (Olympus IX71). Il sistema integra tre sottosistemi principali:

1. Configurazione Ottica: Il microscopio utilizza un percorso di doppia eccitazione che combina un laser a 520 nm (per i centri NV) e un laser a 450 nm (per i qubit biologici). Questi fasci vengono combinati tramite un dimero (dichroic mirror) e instradati attraverso uno scanner galvo-galvo. Il percorso ottico impiega quattro sistemi di imaging $4f$ annidati per garantire che la scansione del fascio non alteri la dimensione o la posizione del fascio sull'apertura posteriore dell'obiettivo, mantenendo prestazioni limitate dalla diffrazione.

   • Impulsi: Per ottenere un'eccitazione con gating al nanosecondo, gli autori hanno confrontato i modulatori acusto-ottici (AOM) rispetto alla modulazione elettronica della corrente del diodo laser. Hanno implementato un driver elettronico custom open-source per i laser accoppiati in fibra, che offre rapporti di estinzione elevati e un migliore rapporto costo-efficacia rispetto agli AOM commerciali.
   • Rilevazione: La fluorescenza viene descanata, filtrata spazialmente da un pinhole confocale e rilevata da un fotodiodo a singolo fotone (SPD) con risoluzione temporale di picosecondi tramite un Swabian Time Tagger 20.

2. Controllo a Microonde e RF: Il sistema fornisce campi magnetici tramite una configurazione di antenne modulare.

   • Controllo Stato Solido: Un'antenna a loop PCB a banda larga (compatibile con piastre di Petri) fornisce impulsi a microonde da DC a 5 GHz, coprendo la risonanza a 2,87 GHz dei centri NV.
   • Controllo Biologico: La stessa antenna supporta frequenze più basse (500–800 MHz) richieste dalla risonanza magnetica guidata da radiofrequenza (RYDMR) di qubit biologici come MagLOV.
   • Elettronica di Controllo: L'impulso a microonde è sincronizzato con l'eccitazione ottica e la rilevazione dei fotoni utilizzando uno Swabian Pulse Streamer 8/2. Gli autori dimostrano inoltre una soluzione alternativa basata su FPGA (RFSoC) per la generazione di forme d'onda arbitrarie.

3. Software: Una GUI personalizzata basata su Python (costruita su Napari) controlla gli scanner galvo, il DAQ e l'hardware di timing, consentendo l'imaging in tempo reale, il conteggio dei fotoni e l'ottimizzazione automatizzata dello stack $z$.

Contributi Chiave
L'articolo riporta quattro contributi tecnici specifici:

1. Integrazione Architetturale: La dimostrazione di un microscopio invertito galvo-galvo a campione stazionario che supporta sia i protocolli di eccitazione verde/raccolta rossa per i centri NV, sia i protocolti di eccitazione blu/pilotaggio RF per i qubit biologici su un unico banco ottico.
2. Benchmarking dello Stato Solido: Validazione della piattaforma utilizzando una piastra di diamante impiantata, ottenendo un ODMR a singolo NV vicino a 2,87 GHz e misurando un tempo di rilassamento dello spin ($T_1$) di circa 1,3 ms in condizioni ambientali.
3. Compatibilità Biologica: Imaging confocale riuscito di cellule HeLa vive colorate con TMRE e cellule che esprimono la proteina biologica MagLOV, dimostrando che il percorso ottico può essere riconfigurato per la fluorescenza biologica con modifiche minime.
4. Imaging Simultaneo in Cellule Vive: La prima dimostrazione di imaging simultaneo di qubit biologici (cellule HeLa che esprimono MagLOV) e qubit a stato solido (nanodiamanti internalizzati tramite endocitosi) all'interno della stessa cellula.

Risultati

• Caratterizzazione NV: Il sistema ha raggiunto una risoluzione laterale di ~300 nm (FWHM), coerente con il limite di diffrazione per l'eccitazione a 520 nm. Gli spettri ODMR in onda continua (CW) hanno mostrato un netto calo di risonanza a 2,87 GHz con un contrasto del ~1%. Le misurazioni $T_1$ a impulsi hanno prodotto un tempo di rilassamento di $1,29 \pm 0,3$ ms.
• Imaging Biologico: La piattaforma ha risolto con successo la morfologia cellulare e la fluorescenza mitocondriale in cellule colorate con TMRE e cellule che esprimono MagLOV.
• Imaging Ibrido: Le immagini confocali hanno confermato la co-localizzazione di nanodiamanti e cellule HeLa che esprimono MagLOV, provando la capacità del sistema di indirizzare entrambi i tipi di qubit simultaneamente in un ambiente di cellula viva.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo lavoro stabilisce l'infrastruttura necessaria a livello di microscopio per perseguire tre traiettorie di ricerca convergenti:

1. Sensing Avanzato allo Stato Solido: La piattaforma è architettonicamente posizionata per supportare protocolli di sensing di coppie NV entangled (ad esempio, stati di Bell e sottospazi privi di decoerenza) precedentemente dimostrati solo su substrati statici, ora potenzialmente applicabili ad ambienti biologici.
2. Sensing Biologico a Impulsi: La transizione dall'operazione CW a quella a impulsi consente la RYDMR risolta nel tempo e la spettroscopia pump–field–probe per i qubit biologici, superando i limiti di regime stazionario degli attuali metodi.
3. Interfacce Quantistiche Ibride: Più significativamente, gli autori sostengono che questo strumento fornisce il primo percorso sperimentale credibile per creare e misurare l'entanglement tra un qubit NV a stato solido e un qubit biologico a spin. Descrivono questo entanglement ibrido come il "vero santo graal dell'interfaccia quantistica con la biologia", fondendo la lunga coerenza dei centri NV con la targetabilità genetica dei qubit ospitati dalle proteine.

L'articolo si conclude con modestia, osservando che, sebbene i risultati attuali validino l'hardware e la compatibilità ottica, l'obiettivo ultimo di dimostrare l'entanglement ibrido rimane un obiettivo futuro reso possibile da questa nuova piattaforma.