02 了解事物
Maurer 解释说，要理解这项工作，了解一点量子力学会有所帮助。
“据我们所知，量子力学是一个伟大的理论，它几乎可以完整地解释世界，”毛雷尔说。“它解释了原子如何结合在一起以及驱动化学反应的因素，这可以解释生物学和细胞如何工作。从某种意义上说，量子力学是我们现在所拥有的世界上最基本的理论。”
量子力学还包含一些最违反直觉的科学原理，如叠加和量子隧穿。多年来，像 Maurer 这样的工程师已经找到了将这些原则应用于行业变革技术开发的方法。
原子钟可以在 150 亿年内准确地将时间保持在 100 毫秒以内，被认为是量子传感的早期形式。自创建以来，它们已成为 GPS 和现代卫星通信等多项复杂技术的支柱。就像原子钟改变了时间测量一样，像 Maurer 这样的工程师希望改变许多其他现象的测量。
03 粗糙的钻石
Maurer 自博士后以来，一直从事的一项应用是研究细胞中的温度。量子系统对温度变化极为敏感。例如，量子计算机需要以接近绝对零的温度存储才能运行，需要一个人大小的冰箱。这种敏感性是量子计算的一个障碍，当应用于传感时，它可以提供非常详细的信息。
基于这种理解，Maurer 开发了小到可以插入活体生物学的传感器。为此，他使用实验室制造的钻石，其中心设计有特定缺陷：即所谓的氮空位 (NV) 中心。由于其结构，该缺陷具有称为自旋的量子特性。
研究人员可以使用电磁辐射来改变钻石内部的自旋，就像用磁铁移动指南针一样。与其他工具配合使用，研究人员可以感知各种力，例如磁场和电场、压力和温度。
Maurer 方法的优势在于，他可以通过称为内吞作用的过程将其中一个纳米传感器“喂入”活细胞。一旦进入细胞，Maurer 的传感器就可以在不破坏细胞正常功能的情况下监测温度，加热部件并测量反应。
了解细胞中的温度至关重要，因为许多化学反应都是由热引发的，有时，这些反应会导致不良结果，例如蛋白质变性或错误折叠。
04 传感的飞跃
目前，Maurer 正在与 芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学系助理教授David Pincus合作，作为美国国家科学基金会 生物物理和生物工程量子传感量子跃迁挑战研究所 (QuBBE) 的一部分。
他们一起研究热休克反应，这是人体筛选错误折叠蛋白质的机制。他们的研究可能会解锁解决蛋白质错误折叠的新方法，并为神经退行性疾病带来新的测试或治疗方法。对于 Maurer 来说，这是一个将他在量子工程方面的工作应用于影响许多人的问题的机会。
“量子传感器特别有吸引力，因为它们使我们能够探测我们无法使用传统技术访问的分子和生物过程，”毛雷尔说。“通过这种方式，我们可以了解人类健康的内部运作方式，而这正是我们的社会可以从量子技术中直接受益的东西。这是使用这项技术做一些有意义的事情的能力。”
像 Maurer 正在开发的那些量子生物传感器仍处于早期概念验证阶段，这意味着它们可能需要一段时间才能出现在商业领域。然而，他预测医学研究人员将在未来 5-10 年内开始看到它们的好处。
