В Австрии создают электронный микроскоп, связанный с квантовым компьютером
Австрийские физики разрабатывают электронный микроскоп, который будет напрямую связан с квантовым компьютером на захваченных ионах. Такая система должна извлекать больше информации из каждого электрона и благодаря этому получать изображения при меньшей дозе облучения образца. Это особенно важно для исследования чувствительных биологических объектов, например отдельных белков.
Проект объединяет специалистов Венского технического университета, Венского университета, Университета Иоганна Кеплера в Линце и Инсбрукского университета. Исследователи предложили связать электроны, проходящие через электронный микроскоп, с ионами квантового процессора.
Современные электронные микроскопы позволяют различать структуры атомного масштаба, однако для формирования качественного изображения часто требуется большое количество электронов. Каждый из них может повреждать исследуемый материал. Для металлов и других устойчивых образцов это не всегда критично, но отдельные молекулы и биологические структуры могут разрушаться ещё до получения достаточно качественного изображения.
Новый подход предполагает использовать квантовую информацию, которую несут электроны, вместо простого подсчёта зарегистрированных частиц. По пути электронного пучка планируется разместить удерживаемые электромагнитными полями ионы, являющиеся элементами квантового компьютера.
При взаимодействии электрон и ион могут оказаться в общем квантовом состоянии. Часть информации, связанной с проходящим электроном, таким образом сохраняется в квантовом процессоре. После этого следующий электрон взаимодействует с системой, позволяя последовательно накапливать информацию от многих частиц.
Специальные квантовые операции должны объединять эти данные таким образом, чтобы получить более сильный полезный сигнал при меньшем количестве электронов. Алгоритмы для обработки накопленной квантовой информации разрабатывались в том числе специалистами Университета Иоганна Кеплера в Линце.
По словам авторов, главное преимущество заключается в возможности преодолеть некоторые статистические ограничения обычной электронной микроскопии. Вместо увеличения числа электронов для подавления шума исследователи хотят извлекать больше информации из каждой частицы.
Теоретические расчёты показали, что отдельный свободный электрон способен вызвать измеримое изменение состояния иона в квантовом процессоре. Модель также допускает когерентное накопление информации от нескольких электронов, что открывает путь к электронной микроскопии с меньшей дозой облучения.
Пока технология существует в виде теоретически разработанной схемы. Следующим этапом станет экспериментальная проверка. В центре электронной микроскопии Венского технического университета планируется объединить электронный микроскоп с квантовым компьютером на захваченных ионах, разработанным группой Филиппа Шиндлера из Инсбрукского университета.
Если установка подтвердит расчёты, технология может быть особенно полезна при изучении белков, молекулярных комплексов и других объектов, которые быстро повреждаются электронным пучком. Возможность получать ту же или даже большую информацию при меньшем количестве электронов позволит исследовать структуры, которые сегодня трудно наблюдать без их разрушения.
Авторы подчёркивают, что сначала необходимо экспериментально продемонстрировать устойчивое квантовое взаимодействие свободных электронов с ионами непосредственно внутри микроскопической установки. Поэтому речь пока идёт не о готовом квантовом микроскопе, а о создании первого экспериментального прототипа.
Исследование принято к в журнале Physical Review Letters.