02 了解事物

Maurer 解釋說，要理解這項工作，了解一點量子力學會有所幫助。

“據我們所知，量子力學是一個偉大的理論，它幾乎可以完整地解釋世界，”毛雷爾說。“它解釋了原子如何結合在一起以及驅動化學反應的因素，這可以解釋生物學和細胞如何工作。從某種意義上說，量子力學是我們現在所擁有的世界上最基本的理論。”

量子力學還包含一些最違反直覺的科學原理，如疊加和量子隧穿。多年來，像 Maurer 這樣的工程師已經找到了將這些原則應用于行業變革技術開發的方法。

原子鐘可以在 150 億年內準確地將時間保持在 100 毫秒以內，被認為是量子傳感的早期形式。自創建以來，它們已成為 GPS 和現代衛星通信等多項復雜技術的支柱。就像原子鐘改變了時間測量一樣，像 Maurer 這樣的工程師希望改變許多其他現象的測量。

03 粗糙的鉆石

Maurer 自博士后以來，一直從事的一項應用是研究細胞中的溫度。量子系統對溫度變化極為敏感。例如，量子計算機需要以接近絕對零的溫度存儲才能運行，需要一個人大小的冰箱。這種敏感性是量子計算的一個障礙，當應用于傳感時，它可以提供非常詳細的信息。

基于這種理解，Maurer 開發了小到可以插入活體生物學的傳感器。為此，他使用實驗室制造的鉆石，其中心設計有特定缺陷：即所謂的氮空位 (NV) 中心。由于其結構，該缺陷具有稱為自旋的量子特性。

研究人員可以使用電磁輻射來改變鉆石內部的自旋，就像用磁鐵移動指南針一樣。與其他工具配合使用，研究人員可以感知各種力，例如磁場和電場、壓力和溫度。

Maurer 方法的優勢在于，他可以通過稱為內吞作用的過程將其中一個納米傳感器“喂入”活細胞。一旦進入細胞，Maurer 的傳感器就可以在不破壞細胞正常功能的情況下監測溫度，加熱部件并測量反應。

了解細胞中的溫度至關重要，因為許多化學反應都是由熱引發的，有時，這些反應會導致不良結果，例如蛋白質變性或錯誤折疊。

04 傳感的飛躍

目前，Maurer 正在與 芝加哥大學分子遺傳學和細胞生物學系助理教授David Pincus合作，作為美國國家科學基金會 生物物理和生物工程量子傳感量子躍遷挑戰研究所 (QuBBE) 的一部分。

他們一起研究熱休克反應，這是人體篩選錯誤折疊蛋白質的機制。他們的研究可能會解鎖解決蛋白質錯誤折疊的新方法，并為神經退行性疾病帶來新的測試或治療方法。對于 Maurer 來說，這是一個將他在量子工程方面的工作應用于影響許多人的問題的機會。

“量子傳感器特別有吸引力，因為它們使我們能夠探測我們無法使用傳統技術訪問的分子和生物過程，”毛雷爾說。“通過這種方式，我們可以了解人類健康的內部運作方式，而這正是我們的社會可以從量子技術中直接受益的東西。這是使用這項技術做一些有意義的事情的能力。”

像 Maurer 正在開發的那些量子生物傳感器仍處于早期概念驗證階段，這意味著它們可能需要一段時間才能出現在商業領域。然而，他預測醫學研究人員將在未來 5-10 年內開始看到它們的好處。