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

Technische Samenvatting: Een Gepulste Live-Cell Kwantummicroscoop voor Verstrengelde Solid-State en Biologische Qubits

Probleemstelling
Het veld van kwantumsensoren wordt momenteel gedefinieerd door twee parallel lopende ontwikkelingen: de rijping van solid-state spin-qubits (specifiek stikstof-vacature (NV) centra in diamant) en de opkomst van genetisch gecodeerde biologische qubits (zoals spin-gecorreleerde radicalenparen in eiwitten zoals MagLOV). Terwijl solid-state qubits recentelijk hebben aangetoond het vermogen te hebben om verstrengeling te benutten voor verbeterde gevoeligheid en ruimtelijke resolutie, zijn deze experimenten beperkt gebleven tot technisch vervaardigde diamantsubstraten. Daarentegen heeft biologisch qubit-onderzoek grotendeels vertrouwd op continu-golf (CW) detectie, wat lijdt onder steady-state beperkingen en een gebrek aan de tijdsresolutie die nodig is om snelle radicalenpaar-dynamica te onderzoeken. Er bestaat een kritische kloof in de literatuur: er is geen bestaand platform dat zowel solid-state als biologische qubits binnen dezelfde live-cell omgeving simultaan kan manipuleren en uitlezen met behulp van gepulseerde protocollen. Deze beperking belemmert het potentieel voor hybride kwantumsensoren en de exploratie van verstrengeling over de grens tussen solid-state en biologie.

Methodologie
De auteurs hebben een gepulseerde kwantummicroscoop ontworpen en geïmplementeerd op basis van een stationary-sample, geïnverteerde confocale architectuur (Olympus IX71). Het systeem integreert drie kernsubsystemen:

1. Optische Opstelling: De microscoop maakt gebruik van een dual-excitation pad dat een 520 nm laser (voor NV-centra) en een 450 nm laser (voor biologische qubits) combineert. Deze stralen worden gecombineerd via een dichroïsche spiegel en gerouteerd via een galvo-galvo scanner. Het optische pad maakt gebruik van vier geneste $4f$ imagingsystemen om ervoor te zorgen dat het scannen van de straal de straalgrootte of -positie op de achterste apertuur van het objectief niet verandert, waardoor diffractie-gelimiteerde prestaties worden gewaarborgd.

   • Pulsing: Om nanoseconde-gegate excitation te bereiken, hebben de auteurs Acousto-Optic Modulators (AOM's) vergeleken met elektronische modulatie van de laserdiode-stroom. Ze hebben een aangepaste, open-source elektronische driver voor de vezelgekoppelde lasers geïmplementeerd, die een hoge extinctieratio en kosteneffectiviteit biedt vergeleken met commerciële AOM's.
   • Detectie: Fluorescentie wordt gedescand, ruimtelijk gefilterd door een confocale pinhole, en gedetecteerd door een single-photon avalanche diode (SPD) met picoseconde timingresolutie met een Swabian Time Tagger 20.

2. Microgolf en RF Controle: Het systeem levert magnetische velden via een modulaire antenne-opstelling.

   • Solid-State Controle: Een breedbandige PCB-lusantenne (compatibel met petri-schaaltjes) levert microgolfpulsen van DC tot 5 GHz, wat de 2,87 GHz resonantie van NV-centra dekt.
   • Biologische Controle: Dezelfde antenne ondersteunt lagere frequenties (500–800 MHz) die vereist zijn voor de radiofrequentie-gestuurde magnetische resonantie (RYDMR) van biologische qubits zoals MagLOV.
   • Controle-elektronica: Microgolfpulsing wordt gesynchroniseerd met optische excitatie en fotondetectie met behulp van een Swabian Pulse Streamer 8/2. De auteurs demonstreren ook een alternatieve FPGA-gebaseerde oplossing (RFSoC) voor willekeurige golfvormgeneratie.

3. Software: Een aangepaste Python-gebaseerde GUI (gebouwd op Napari) bestuurt de galvo-scanners, DAQ en timing-hardware, wat real-time imaging, fotonentelling en geautomatiseerde $z$-stack optimalisatie mogelijk maakt.

Belangrijkste Bijdragen
Het artikel rapporteert vier specifieke technische bijdragen:

1. Architecturale Integratie: De demonstratie van een stationary-sample, galvo-galvo geïnverteerde microscoop die zowel groen-excitatie/rood-collectie protocollen voor NV-centra als blauw-excitatie/RF-gestuurde protocollen voor biologische qubits op een enkele optische tafel ondersteunt.
2. Solid-State Benchmarking: Validatie van het platform met behulp van een geïmplanteerde diamantplaat, waarbij single-NV optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR) nabij 2,87 GHz werd bereikt, en het meten van een spin-relaxatietijd ($T_1$) van ongeveer 1,3 ms onder omgevingscondities.
3. Biologische Compatibiliteit: Succesvolle confocale imaging van live HeLa-cellen gekleurd met TMRE en cellen die het genetisch gecodeerde MagLOV-eiwit tot expressie brengen, wat aantoont dat het optische pad kan worden geconfigureerd voor biologische fluorescentie met minimale wijzigingen.
4. Simultane Live-Cell Imaging: De eerste demonstratie van simultane imaging van biologische qubits (MagLOV-expresserende HeLa-cellen) en solid-state qubits (nanodiamanten geïnternaliseerd via endocytose) binnen dezelfde cel.

Resultaten

• NV Karakterisering: Het systeem bereikte een laterale resolutie van ~300 nm (FWHM), consistent met de diffractielimiet voor 520 nm excitatie. CW ODMR-spectra vertoonden een duidelijke resonantiedip bij 2,87 GHz met ~1% contrast. Gepulseerde $T_1$-metingen leverden een relaxatietijd op van $1,29 \pm 0,3$ ms.
• Biologische Imaging: Het platform slaagde erin cellulaire morfologie en mitochondriale fluorescentie te resolveren in TMRE-gekleurde cellen en MagLOV-expresserende cellen.
• Hybride Imaging: Confocale beelden bevestigden de co-lokalisatie van nanodiamanten en MagLOV-expresserende HeLa-cellen, wat het vermogen van het systeem bewijst om beide typen qubits simultaan in een live-cel omgeving aan te spreken.

Betekenis en Claims
De auteurs claimen dat dit werk de noodzakelijke microscopische infrastructuur legt om drie convergerende onderzoeksrichtingen te volgen:

1. Geavanceerde Solid-State Sensing: Het platform is architecturaal gepositioneerd om verstrengelde NV-paar sensing protocollen (bijv. Bell-toestanden en decoherence-free subspaces) te ondersteunen die voorheen alleen op statische substraten zijn gedemonstreerd, nu potentieel toepasbaar in biologische omgevingen.
2. Gepulseerde Biologische Sensing: De overgang van CW naar gepulseerde operatie maakt tijd-opgeloste RYDMR en pump–field–probe spectroscopie voor biologische qubits mogelijk, waarmee de steady-state beperkingen van huidige methoden worden overwonnen.
3. Hybride Kwantuminterfaces: Het meest significant is dat de auteurs stellen dat dit instrument de eerste geloofwaardige experimentele weg biedt naar het creëren en meten van verstrengeling tussen een solid-state NV-qubit en een biologische spin-qubit. Ze beschrijven deze hybride verstrengeling als de "ware heilige graal van de kwantuminterface met biologie", waarbij de lange coherentie van NV-centra wordt samengesmolten met de genetische targetbaarheid van in eiwitten gehuisveste qubits.

Het artikel sluit bescheiden af met de opmerking dat hoewel de huidige resultaten de hardware en optische compatibiliteit valideren, het uiteindelijke doel om hybride verstrengeling te demonstreren een toekomstig doel blijft dat door dit nieuwe platform mogelijk wordt gemaakt.