再發Science子刊，上海交通大學團隊在量子增強的生物分子手性甄別上實現突破

上海交通大學物理與天文學院講席教授、李政道研究所雙聘研究員張衛平與助理研究員包谷之等組成的團隊繼最近在Science子刊發表“量子孿生干涉儀”工作之后，再次取得突破，將該工作的原理應用于生物分子手性甄別之中，突破了傳統光學手性測量技術的極限。相關研究工作以“Quantum-elevated Chiral Discrimination for Biomolecues”為題,近日發表于國際權威雜志《Science Advances》。

▲圖1 量子增強手性甄別實驗架構

手性是隱藏在物理、化學與生命體系中一種奇妙的鏡像對稱性破缺現象。光學手性甄別是揭示物質結構“左手”和“右手”手性差異的核心技術之一，在基礎科學、藥物研發、醫學診斷、不對稱催化以及生命手性起源探索等領域，扮演著不可替代的角色。然而，該技術的測量靈敏度和精度長期受限于激光光源的標準量子極限，這一物理限制成為光敏生物樣品超靈敏無損檢測的原理瓶頸。量子精密測量技術的發展為最終打破這一瓶頸提供了全新的途徑。

在光敏生物傳感的實際應用中，無損探測與高靈敏度往往難以雙向兼顧。受標準量子極限的制約，為提高檢測靈敏度通常需要增強探測激光的強度，而結果會引發顯著的光熱效應并加劇光化學反應，從而對生物樣品造成損傷。受此矛盾制約，傳統光學技術難以在低濃度生物手性樣品中實現有效的精準、無損手性甄別。上海交通大學張衛平教授團隊長期致力于量子精密測量研究。在此基礎上，近來發展出“量子孿生干涉儀”[Sci. Adv. 11, eaea0816 (2025)]，兼具量子噪聲抑制與高靈敏度特征。在量子孿生干涉儀的范式下，該團隊進一步拓展偏振自由度的糾纏，制備出可用于手性測量的量子探針。

基于該探針與手性分子的旋光色散相互作用，通過偏振關聯探測實現微弱偏振旋轉信號的高精度和高靈敏度探測，從而完成不同異構體的甄別及對映體過量檢測。在同等光強條件下，相較于傳統激光探針，該量子探針的信噪比提升了5 dB，其可分辨的手性分子最低濃度也降至前者的約三分之一。此項研究為量子精密測量與生物、化學及醫學等領域的交叉融合，開拓了新的前景。

▲圖2 基于相干光（左圖）與糾纏光（右圖）探針的手性甄別實驗對比

▲圖3基于相干光（左）與糾纏光（右）探針的異構體過量檢測實驗對比

上海交通大學為第一署名單位，博士后楊一泉為該文章第一作者，包谷之和張衛平為共同通訊作者，其他作者分別為胡曉龍、杜威、吳書賀、楊培玉。研究獲得合肥國家實驗室、上海市量子科學研究中心、國家自然科學基金委、量子科技創新2030計劃、科技部重點研發計劃、教育部、上海市科委和中國博士后基金會等支持。

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