Квантовый компьютер помогает электронному микроскопу видеть больше, используя меньше электронов

Обычные электронные микроскопы достигают поразительного разрешения и позволяют видеть детали на атомном уровне. Однако, как объясняют исследователи из TU Wien, в стандартной системе электроны в основном подсчитываются для построения изображения. При этом каждый электрон несёт квантовую информацию, которая обычно остаётся неиспользованной.

Команда учёных из TU Wien, Венского университета, JKU Linz и Университета Инсбрука предложила новый подход: соединить электронный микроскоп с квантовым компьютером. По словам Филиппа Хаслингера из Института атомной и субатомной физики TU Wien, современные электронные микроскопы требуют большого количества электронов для получения изображения. Это особенно проблематично при исследовании биологических образцов, таких как отдельные белки, которые легко повреждаются.

Как работает квантовое переплетение

Суть метода заключается в том, чтобы связать электроны с квантовым компьютером, построенным на основе захваченных ионов. Как объясняет Элиас Песколлер, первый автор публикации и докторант Института теоретической физики и Института атомной и субатомной физики TU Wien, электроны взаимодействуют с ионами, удерживаемыми вдоль пути электронного пучка. Это создаёт квантовое переплетение между электроном и квантовым компьютером — электрон и ион получают общее квантовое состояние.

Квантовое переплетение позволяет двум квантовым системам обмениваться информацией способами, которых нет в классической физике. Информация об электроне может быть сохранена в ионе. После взаимодействия одного электрона с захваченным ионом другой электрон может пройти и также запутаться с квантовым компьютером.

Усиление сигнала из нескольких электронов

Путём выполнения специально разработанных квантовых операций система может оптимально объединять информацию из нескольких электронов, получая сигнал максимальной силы при использовании относительно небольшого количества электронов. Как говорит Деннис Рётцель из Института атомной и субатомной физики TU Wien, это позволяет получить сильный сигнал даже с малым числом электронов.

Алгоритмы, необходимые для обработки информации, были разработаны в сотрудничестве с командой Йоханнеса Кофлера из JKU Linz.

Извлечение скрытой информации

Базовый процесс формирования изображения по-прежнему полагается на электроны, как в обычном электронном микроскопе. Различие в том, что квантовый компьютер может обрабатывать информацию, которую несут эти электроны и которая иначе была бы потеряна. По словам Ивы Безинова из Института теоретической физики TU Wien, то, что раньше было неотличимо от случайного шума, может стать чётким сигналом. Это позволит учёным восстановить полезные детали, которые было бы невозможно выявить, используя только обычный подсчёт электронов.

Преодоление статистических ограничений

Квантовая физика позволяет преодолеть статистические пределы, которые ограничивают обычные электронные микроскопы, отмечает Элиас Песколлер. Пока исследователи математически доказали, что новый метод должен обеспечить значительные преимущества. Следующий вызов — продемонстрировать эти преимущества экспериментально.

От теории к практике

В Центре университетских услуг трансмиссионной электронной микроскопии (USTEM) TU Wien исследователи готовятся интегрировать квантовый компьютер на основе ионов в электронный микроскоп. Квантовый компьютер был разработан командой Филиппа Шиндлера из Университета Инсбрука. Если система будет работать как ожидается, она может открыть новый подход к электронной микроскопии, при котором исследователи получают больше информации, подвергая чувствительные образцы меньшему количеству электронов.

Основное финансирование консорциума, координируемого Венским университетом, поступает от Австрийского научного фонда (FWF) через Кластер передового опыта quantA и от Фонда Гордона и Бетти Мур.

Это данные исследования, а не медицинский совет.