Ученые объединяют электронный микроскоп с квантовым компьютером, чтобы извлечь гораздо больше информации из каждого электрона. Такой подход позволит выявить едва заметные детали с помощью меньшего количества электронов, что поможет защитить хрупкие образцы, которые могут быть повреждены при использовании обычной микроскопии.
Электронные микроскопы позволяют обнаруживать структуры, гораздо меньшие по размеру, чем те, которые видны при обычном освещении. Однако исследователи из Австрии утверждают, что традиционные электронные микроскопы могут упускать ценную информацию.
В стандартной системе для построения изображения в основном подсчитываются электроны. Однако каждый электрон также несет квантовую информацию, которая обычно остается неиспользованной. Исследователи из Венского технического университета, работая совместно с группами из Венского университета, Университета имени Йоханнесбурга в Линце и Инсбрукского университета, разработали новый подход, предназначенный для сбора и обработки части этой дополнительной информации.
Их идея заключается в том, чтобы соединить электронный микроскоп с квантовым компьютером. Таким образом, исследователи надеются извлечь больше полезной информации из каждого электрона, что потенциально позволит ученым получать более четкие изображения, подвергая при этом хрупкие образцы меньшему количеству электронов. Это может быть особенно ценно для биологических материалов, которые легко повреждаются. В настоящее время в Венском техническом университете создается электронный микроскоп на основе квантового компьютера, созданный по этой концепции.
Использование квантовой запутанности для получения большего от каждого электрона
Современные электронные микроскопы уже сейчас обеспечивают необычайно высокое разрешение.
«Сегодня мы можем получать изображения мельчайших деталей на атомном уровне, - говорит Филипп Хаслингер из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета. - Однако для этого требуется большое количество электронов. И не каждый образец может быть подвергнут воздействию такого количества электронов без повреждений. Это часто становится проблемой, особенно при визуализации биологических образцов, таких как отдельные белки».
Задача состоит в том, чтобы получить больше информации от каждого электрона, чтобы исследователи могли уменьшить общее количество электронов, необходимых для получения изображения.
Команда предлагает сделать это, связав электроны с квантовым компьютером, построенным на основе захваченных ионов.
«Наша идея заключается в том, чтобы объединить электроны с квантовым компьютером. Мы позволяем им взаимодействовать с ионами, которые удерживаются на месте вдоль траектории электронного пучка», - объясняет Элиас Песколлер, первый автор публикации и аспирант Института теоретической физики и Института атомной и субатомной физики Венского технического университета. «Это может, например, создать квантовую запутанность между электроном и квантовым компьютером. В этом случае электрон и ион разделяют общее квантовое состояние».
Квантовая запутанность позволяет двум квантовым системам обмениваться информацией способами, не имеющими прямого аналога в классической физике. В этой установке электрон, проходящий через микроскоп, может запутаться с ионом в квантовом компьютере, что позволяет хранить информацию об электроне в ионе.
Превращение слабых сигналов в полезную информацию
После взаимодействия одного электрона с захваченным ионом другой электрон может пройти сквозь него и также запутаться в квантовой запутанности с квантовым компьютером. Путем многократного выполнения тщательно разработанных квантовых операций система может объединять информацию от нескольких электронов.
«Если мы будем каждый раз выполнять очень специфические операции квантовых вычислений, мы сможем оптимально комбинировать информацию от нескольких электронов, чтобы получить сигнал максимальной силы, даже используя относительно небольшое количество электронов», - говорит Деннис Рэтцель из Института атомной и субатомной физики Венского технического университета.
Алгоритмы, необходимые для выполнения этой обработки, были разработаны в сотрудничестве с командой Йоханнеса Кофлера в университете JKU Linz.
Основной процесс получения изображений по-прежнему основан на использовании электронов, как и в обычном электронном микроскопе. Разница заключается в том, что квантовый компьютер может обрабатывать информацию, которую несут эти электроны и которая в противном случае была бы потеряна.
«Сами электроны используются для получения изображений мелких объектов, как и в любом другом электронном микроскопе. Но, обрабатывая квантовую информацию, переносимую этими электронами, в квантовом компьютере, мы можем извлечь из этого процесса значительно больше информации», - говорит Ива Бржезинова из Института теоретической физики Венского технического университета. «То, что раньше было неотличимо от случайного шума, теперь может стать четким сигналом».
Это позволит ученым восстановить полезные детали, которые невозможно обнаружить с помощью одного лишь обычного подсчета электронов.
«Квантовая физика позволяет нам преодолеть статистические ограничения, которые сдерживают работу обычных электронных микроскопов», - говорит Элиас Песколлер.
От математического доказательства к работающему микроскопу
На данный момент исследователи математически доказали, что новый метод должен обладать существенными преимуществами. Следующая задача — экспериментально подтвердить эти преимущества.
В университетском сервисном центре просвечивающей электронной микроскопии (USTEM) Венского технического университета исследователи готовятся интегрировать ионный квантовый компьютер в электронный микроскоп. Квантовый компьютер был разработан командой Филиппа Шиндлера в Университете Инсбрука.
Если система будет работать как ожидается, она может открыть новый подход к электронной микроскопии, при котором исследователи смогут получить больше информации, подвергая чувствительные образцы воздействию меньшего количества электронов.
