A new optically addressable quantum bit (qubit) encoded in a fluorescent protein could be used as a sensor that can be directly produced inside living cells. The device opens up a new era for fluorescence microscopy to monitor biological processes, say the researchers at the University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering who designed the novel qubit.

Quantum technologies use qubits to store and process information. Unlike classical bits, which can exist in only two states, qubits can exist in a superposition of both these states. This means that computers employing these qubits can simultaneously process multiple streams of information, allowing them to solve problems that would take classical computers years to process.

Qubits can be manipulated and measured with high precision, and in quantum sensing applications they act as nanoscale probes whose quantum state can be initialized, coherently controlled and read out. This allows them to detect minute changes in their environment with exquisite sensitivity.

Optically addressable qubit sensors – that is, those that are read out using light pulses from a laser or other light source – are able to measure nanoscale magnetic fields, electric fields and temperature. Such devices are now routinely employed by researchers working in the physical sciences. However, their use in the life sciences is lagging behind, with most applications still at the proof-of-concept stage.

Difficult to position inside living cells

Many of today’s quantum sensors are based on nitrogen-vacancy (NV) centres, which are crystallographic defects in diamond. These centres occur when two neighbouring carbon atoms in diamond are replaced by a nitrogen atom and an empty lattice site and they act like tiny quantum magnets with different spins. When excited with laser pulses, the fluorescent signal that they emit can be used to monitor slight changes in the magnetic properties of a nearby sample of material. This is because the intensity of the emitted NV centre signal changes with the local magnetic field.

“The problem is that such sensors are difficult to position at well-defined sites inside living cells,” explains Peter Maurer, who co-led this new study together with David Awschalom. “And the fact that they are typically ten times larger than most proteins further restricts their applicability,” he adds.

“So, rather than taking a conventional quantum sensor and trying to camouflage it to enter a biological system, we therefore wanted to explore the idea of using a biological system itself and developing it into a qubit,” says Awschalom.

Fluorescent proteins, which are just 3 nm in diameter, could come into their own here as they can be genetically encoded, allowing cells to produce these sensors directly at the desired location with atomic precision. Indeed, fluorescent proteins have become the “gold standard” in cell biology thanks to this unique ability, says Maurer. And decades of biochemistry research has allowed researchers to generate a vast library of such fluorescent proteins that can be tagged to thousands of different types of biological targets.

“We recognized that these proteins possess optical and spin properties that are strikingly similar to those of qubits formed by crystallographic defects in diamond – namely that they have a metastable triplet state,” explain Awschalom and Maurer. “Building on this insight, we combined techniques from fluorescence microscopy with methods of quantum control to encode and manipulate protein-based qubits.”

In their work, which is detailed in Nature, the researchers used a near-infrared laser pulse to optically address a yellow fluorescent protein known as EYFP and read out its triplet spin state with up to 20% “spin contrast” – measured using optically detected magnetic resonance (ODMR) spectroscopy.

To test the technique, the team genetically modified the protein so that it was expressed in human embryonic kidney cells and Escherichia coli (E. coli) cells. The measured OMDR signals exhibited a contrast of up to 8%. While this performance is not as good as that of NV quantum sensors, the fluorescent proteins open the door to magnetic resonance measurements directly inside living cells – something that NV centres cannot do, says Maurer. “They could thus transform medical and biochemical studies by probing protein folding, monitoring redox states or detecting drug binding at the molecular scale,” he tells Physics World.

“A new dimension for fluorescence microscopy”

Beyond sensing, the unique quantum resonance “signatures” offer a new dimension for fluorescence microscopy, paving the way for highly multiplexed imaging far beyond today’s colour palette, Awschalom adds. Looking further ahead, using arrays of such protein qubits could even allow researchers to explore many-body quantum effects within biologically assembled structures.

Maurer, Awschalom and colleagues say they are now busy trying to improve the stability and sensitivity of their protein-based qubits through protein engineering via “directed evolution” – similar to the way that fluorescent proteins were optimized for microscopy.

“Another goal is to achieve single-molecule detection, enabling readout of the quantum state of individual protein qubits inside cells,” they reveal. “We also aim to expand the palette of available qubits by exploring new fluorescent proteins with improved spin properties and to develop sensing protocols capable of detecting nuclear magnetic resonance signals from nearby biomolecules, potentially revealing structural changes and biochemical modifications at the nanoscale.”

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Ce serait pas foufou quand même si votre vieux PC sous Windows XP pouvait faire tourner des applications Rust compilées en 2025 ?

Bah c’est totalement ce que permet de faire Thunk , un outil qui réconcilie le passé et le présent pour les dev Rust qui veulent que leur app fonctionne partout, y compris sur de vieux Windows.

L’histoire commence avec ce constat simple : des millions de machines tournent encore sous Windows XP. Usines, hôpitaux, distributeurs automatiques, systèmes industriels… Ces dinosaures refusent de mourir, principalement parce qu’ils font tourner des logiciels critiques impossibles à migrer. Du coup, le souci c’est qu’il est impossible de développer de nouvelles applications pour ces systèmes avec les outils modernes.

Enfin, c’était impossible avant Thunk.

Car le créateur de Thunk, connu sous le pseudo felixmaker sur GitHub, a eu une idée trop cool. Plutôt que de forcer les développeurs à utiliser de vieux compilateurs et des langages datés, pourquoi ne pas adapter les outils modernes pour qu’ils produisent du code compatible avec les anciens systèmes ?

Son astuce repose sur deux bibliothèques chinoises méconnues : VC-LTL5 et YY-Thunks . La première, VC-LTL5, fait quelque chose de très utile puisqu’au lieu d’embarquer toutes les dépendances runtime dans votre exécutable (ce qui le rend énorme), elle se branche directement sur les DLL système de Windows comme msvcrt.dll ou ucrtbase.dll. Du coup, vos binaires perdent entre 30 et 50% de leur taille.

La seconde bibliothèque, YY-Thunks, c’est la MacGyver des API Windows. Quand votre application appelle une fonction qui n’existe pas sur Windows XP (comme GetTickCount64 par exemple), YY-Thunks intercepte l’appel et propose une alternative. Comme ça, si la fonction existe, elle l’utilise. Sinon, elle improvise avec ce qui est disponible. C’est du bricolage, certes mais c’est intelligent et ça fonctionne vraiment bien.

L’atout dans la manche de Thunk c’est donc sa simplicité d’utilisation. Il est juste disponible sous 2 formes. Soit en ligne de commande, soit comme dépendance dans votre projet.

Ensuite, pour compiler une application Rust pour Windows XP, trois lignes suffisent :

cargo new build_for_xp
cd build_for_xp
thunk --os xp --arch x86 -- --release

Allez, on va jouer à un jeu !

Tapez “STORD0” dans un vieil émulateur Commodore et regardez ce qui se passe. Non, ce n’est pas une commande documentée mais bien un Easter egg planqué dans Microsoft BASIC depuis 1977.

Et si je vous parle de ça, c’est parce que j’ai une bonne nouvelle. En effet, Microsoft vient de libérer le code source de ce BASIC 6502 historique sous licence MIT. Quarante-sept ans après sa création donc, on peut enfin fouiller dans les entrailles du programme qui a fait tourner des millions de machines mythiques de l’ère 8-bits. Et croyez-moi, c’est une mine d’or pour comprendre comment deux jeunes de 20 ans ont posé les fondations de ce qui deviendrait plus tard, le plus gros empire logiciel de la planète.

L’histoire commence donc en 1975 . Gates et Allen viennent de créer Microsoft (encore avec un tiret à l’époque : Micro-Soft) et leur premier produit, c’est un interpréteur BASIC pour l’Altair 8800. Le truc, c’est qu’ils n’avaient même pas la machine, du coup, ils ont développé l’émulateur sur un PDP-10 de Harvard, en se basant uniquement sur les specs du processeur Intel 8080. Et quand ils ont finalement testé leur code sur une vraie machine, ça a marché du premier coup.

La chance des débutants, on va dire ^^.

Deux ans plus tard, le MOS 6502 débarque. Moins cher que l’Intel 8080, plus simple, il va devenir LE processeur de la révolution micro-informatique. Chuck Peddle, son créateur chez MOS Technology, avait un objectif simple qui était de concevoir un processeur à 25 dollars au lieu de 300 pour l’Intel 8080. Mission accomplie évidemment… et devinez qui voulait absolument un BASIC pour accompagner son nouveau processeur ?

Commodore, qui venait de racheter MOS Technology.

La négociation entre Jack Tramiel (le légendaire patron de Commodore) et Bill Gates est même devenue mythique dans l’industrie. Tramiel, survivant de l’Holocauste devenu roi de la calculatrice puis de l’informatique, était réputé pour être un négociateur impitoyable. Sa philosophie c’était “Business is war” … Je vous laisse imaginer la mentale du bonhomme.

Et face à lui, Bilou Gates, 22 ans, lunettes énormes, qui demandait initialement 3 dollars par machine vendue. Tramiel a ri et proposé un deal unique : 25 000 dollars cash pour une licence perpétuelle. Gates a accepté…

Aujourd’hui, si Microsoft avait gardé les royalties à 3 dollars par unité comme Gates le voulait initialement, avec 17 millions de Commodore 64 vendus selon Guinness World Records , ils auraient touché plus de 50 millions de dollars rien que sur cette machine.

Mais le génie de Gates et Allen, c’était pas forcement le commerce, c’était surtout leurs capacités technique car adapter un BASIC conçu pour l’Intel 8080 au 6502, c’était pas de la tarte. Les deux processeurs avaient des architectures complètement différentes. L’Intel 8080 avait plus de registres, le 6502 compensait avec sa page zéro ultra-rapide. L’équipe Microsoft (qui comptait alors une dizaine de personnes) a dû réécrire une bonne partie du code en assembleur 6502, optimiser chaque routine pour tenir dans la mémoire limitée de l’époque… Je vous parle quand même de machines avec 4 Ko de RAM, hein, pas 4 Go !

Le code source qu’on peut consulter aujourd’hui révèle tous ces détails fascinants sur ces optimisations. Par exemple, la routine de multiplication utilise une technique de décalage et addition super élégante pour économiser des cycles processeur. Les chaînes de caractères sont gérées avec un système de garbage collection rudimentaire mais efficace. Chaque octet comptait, chaque cycle processeur était précieux. C’est de l’artisanat pur du code, à des années-lumière de nos frameworks JavaScript de 500 Mo.

L’impact de ce BASIC 6502 sur l’industrie a d’ailleurs été monumental. Steve Wozniak s’en est inspiré pour créer Integer BASIC puis Applesoft BASIC sur l’Apple II. Atari l’a utilisé comme base pour son Atari BASIC. Le TRS-80 Color Computer de Tandy/Radio Shack tournait avec. Des millions d’enfants et d’adolescents dont je fais parti, ont appris à programmer avec, tapant leurs premiers “10 PRINT HELLO” et “20 GOTO 10” sur ces machines.

Microsoft explique dans l’annonce officielle que cette libération fait partie d’un effort plus large pour préserver l’histoire de l’informatique. Certes, le Computer History Museum avait déjà publié certaines versions en 2014, mais là, c’est Microsoft directement qui ouvre ses archives. Le dépôt GitHub contient plusieurs versions historiques, incluant celles pour l’OSI Challenger 1P, le KIM-1, et bien sûr les différentes révisions Commodore.

Pour les nostalgiques et les curieux, le code est donc un vrai régal. Les commentaires en assembleur racontent une histoire. On voit l’évolution des bugs corrigés, les optimisations ajoutées version après version. Le fameux Easter egg STORD0/STORDO dont je vous parlais en intro est là aussi dans le code source. C’est un simple saut conditionnel vers une routine qui affiche “MICROSOFT!”, probablement ajouté lors d’une session de coding nocturne, quand Gates et Allen se permettaient un peu de fun dans leur code ultra-sérieux.

Au-delà de la nostalgie, cette libération a une vraie valeur éducative. Les étudiants en informatique peuvent étudier comment on programmait quand chaque byte comptait. Les développeurs d’émulateurs peuvent corriger des bugs vieux de 40 ans. Les historiens de l’informatique ont accès aux sources primaires d’un moment clé de notre industrie. C’est comme si on ouvrait les carnets de Léonard de Vinci, mais pour les geeks.

Microsoft a également choisi la licence MIT, ultra-permissive donc vous pouvez forker, modifier, vendre, faire ce que vous voulez avec ce code.

C’est un peu ironique quand on pense que Gates avait écrit sa fameuse “Open Letter to Hobbyists” en 1976 , se plaignant du piratage de son BASIC Altair. Le jeune Bill qui pestait contre le partage gratuit de logiciels se serait bien marré en voyant Microsoft open-sourcer son travail aujourd’hui.

Ce qui est fou, c’est quand même de réaliser que ce petit bout de code a généré une industrie de plusieurs trilliards de dollars. Sans ce BASIC 6502, pas de Commodore 64 (la machine la plus vendue de l’histoire), pas d’Apple II tel qu’on le connaît, pas de génération de programmeurs formés dans les années 80. Microsoft aurait peut-être mis la clé sous la porte sans ces revenus initiaux et l’histoire de l’informatique personnelle aurait été complètement différente.

L’équipe de Microsoft en 1978

Maintenant, pour ceux qui veulent jouer avec, le code compile toujours avec les assembleurs modernes comme ca65. Vous pouvez donc le faire tourner dans n’importe quel émulateur 6502. Certains ont déjà commencé à créer des versions modernisées, ajoutant des commandes, corrigeant des bugs historiques, ou portant le code sur des architectures modernes. Le projet est donc hyper vivant sur GitHub, avec déjà des dizaines de forks et de pull requests.

Un détail amusant c’est que ce code révèle que Microsoft avait prévu dès le départ la possibilité d’étendre le langage avec des commandes custom. Une architecture modulaire en 1977, c’est fort ! Certains constructeurs comme Commodore ont d’ailleurs ajouté leurs propres extensions pour gérer les sprites, le son, les graphismes. Et le code BASIC de Microsoft, solide comme un roc, continuait de tourner de la même façon sur toutes les machines.

Cette libération arrive également à un moment symbolique car l’informatique rétro n’a jamais été aussi populaire. Des projets comme le Commander X16 de David Murray tentent de recréer l’esprit des machines 8-bits avec du hardware moderne et ce BASIC 6502 open source pourrait devenir la base de nouveaux projets éducatifs, de nouvelles machines rétro, ou simplement servir à comprendre d’où on vient.

Alors oui, c’est juste du vieux code. Mais c’est LE vieux code. Celui qui a permis à une génération entière de découvrir la programmation. Celui qui a transformé Microsoft de startup dans un garage en empire mondial. Celui qui cache encore, 47 ans plus tard, des Easter eggs et des secrets.

Donc, si vous avez 5 minutes, allez jeter un œil au repo GitHub . C’est un voyage dans le temps, à l’époque où 16 Ko de RAM c’était le futur, et où deux jeunes pouvaient changer le monde avec quelques milliers de lignes d’assembleur.

Source

Quantum computers open the door to profound increases in computational power, but the quantum states they rely on are fragile. Topologically protected quantum states are more robust, but the most experimentally promising route to topological quantum computing limits the calculations these states can perform. Now, however, a team of mathematicians and physicists in the US has found a way around this barrier. By exploiting a previously neglected aspect of topological quantum field theory, the team showed that these states can be much more broadly useful for quantum computation than was previously believed.

The quantum bits (qubits) in topological quantum computers are based on particle-like knots, or vortices, in the sea of electrons washing through a material. In two-dimensional materials, the behaviour of these quasiparticles diverges from that of everyday bosons and fermions, earning them the name of anyons (from “any”). The advantage of anyon-based quantum computing is that the only thing that can change the state of anyons is moving them around in relation to each other – a process called “braiding” that alters their relative topology.

However, as team leader Aaron Lauda of the University of Southern California explains, not all anyons are up to the task. Certain anyons derived from mathematical symmetries appear to have a quantum dimension of zero, meaning that they cannot be manipulated in quantum computations. Traditionally, he says, “you just throw those things away”.

The problem is that in this so-called “semisimple” model, braiding the remaining anyons, which are known as Ising anyons, only lends itself to a limited range of computational logic gates. These gates are called Clifford gates, and they can be efficiently simulated by classical computers, which reduces their usefulness for truly ground-breaking quantum machines.

New mathematical tools for anyons

Lauda’s interest in this problem was piqued when he realized that there had been some progress in the mathematical tools that apply to anyons. Notably, in 2011, Nathan Geer at Utah State University and Jonathan Kujawa at Oklahoma University in the US, together with Bertrand Patureau-Mirand at Université de Bretagne-Sud in France showed that what appear to be zero-dimensional objects in topological quantum field theory (TQFT) can actually be manipulated in ways that were not previously thought possible.

“What excites us is that these new TQFTs can be more powerful and possess properties not present in the traditional setting,” says Geer, who was not involved in the latest work.

As Lauda explains it, this new approach to TQFT led to “a different way to measure the contribution” of the anyons that the semisimple model leaves out – and surprisingly, the result wasn’t zero. Better still, he and his colleagues found that when certain types of discarded anyons – which they call “neglectons” because they were neglected in previous approaches – are added back into the model, Ising anyons can be braided around them in such a way as to allow any quantum computation.

The role of unitarity

Here, the catch was that including neglectons meant that the new model lacked a property known as unitarity. This is essential in the widely held probabilistic interpretation of quantum mechanics. “Most physicists start to get squeamish when you have, like, ‘non-unitarity’ or what we say, non positive definite [objects],” Lauda explains.

The team solved this problem with some ingenious workarounds created by Lauda’s PhD student, Filippo Iulianelli. Thanks to these workarounds, the team was able to confine the computational space to only those regions where anyon transformations work out as unitary.

Shawn Cui, who was not involved in this work, but whose research at Purdue University, US, centres around topological quantum field theory and quantum computation, describes the research by Lauda and colleagues as “a substantial theoretical advance with important implications for overcoming limitations of semisimple models”. However, he adds that realizing this progress in experimental terms “remains a long-term goal”.

For his part, Lauda points out that there are good precedents for particles being discovered after mathematical principles of symmetry were used to predict their existence. Murray Gell-Man’s prediction of the omega minus baryon in 1962 is, he says, a case in point. “One of the things I would say now is we already have systems where we’re seeing Ising anyons,” Lauda says. “We should be looking also for these neglectons in those settings.”

The research is published in Nature Communications.

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