量子计算机推动新型显微镜的发展

电子显微镜可以揭示比普通光可见的物体小得多的结构。但奥地利的研究人员表示，传统电子显微镜可能会留下有价值的信息。

在标准系统中，对电子进行计数主要是为了构建图像。然而，每个电子还携带通常不使用的量子信息。维也纳工业大学的研究人员与维也纳大学、林茨大学和因斯布鲁克大学的团队合作，开发了一种新方法，旨在捕获和处理一些附加信息。

他的想法是将电子显微镜连接到量子计算机。通过这样做，研究人员希望从每个电子中提取更多有用的信息，从而可能使科学家能够形成更清晰的图像，同时将精致的样品暴露在更少的电子下。这对于容易损坏的生物材料尤其有价值。维也纳工业大学正在建造基于该概念的量子计算机电子显微镜。

利用量子纠缠从每个电子中获得更多

现代电子显微镜已经达到了非凡的分辨率。

“今天，我们可以在原子尺度上对小细节进行成像，”维也纳工业大学原子和亚原子物理研究所的菲利普·哈斯林格说。 “然而，这需要大量的电子。而且并不是所有的样品都能暴露在如此多的电子下而不受到损坏。这通常是一个问题，特别是在对单个蛋白质等生物样品进行成像时。”

那么，挑战是更多地了解每个电子，以便研究人员可以减少生成图像所需的总数。

该团队建议通过将电子束缚在围绕捕获离子构建的量子计算机上来实现​​这一点。

“我们的想法是将电子与量子计算机结合起来。我们让它们与电子束路径上固定的离子相互作用，”该出版物的第一作者、维也纳工业大学理论物理研究所和原子与亚原子物理研究所的博士生 Elias Pescoller 解释道。 “例如，这可以在电子和量子计算机之间产生量子纠缠。然后电子和离子共享联合量子态。”

量子纠缠允许两个量子系统以经典物理学中没有直接等效的方式共享信息。在这种设置中，穿过显微镜的电子可以与量子计算机中的离子纠缠在一起，从而使有关电子的信息存储在离子中。

将微弱信号转化为有用信息

当一个电子与被捕获的离子相互作用后，另一个电子也可以穿过并与量子计算机纠缠在一起。通过重复执行精心设计的量子操作，该系统可以组合来自多个电子的信息。

维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的 Dennis Rätzel 表示：“如果我们每次执行非常具体的量子计算操作，即使我们只使用相对较少数量的电子，我们也可以最佳地组合来自多个电子的信息，以获得最大强度的信号。”

执行此处理所需的算法是与 JKU Linz 的 Johannes Kofler 团队合作开发的。

基本成像过程仍然依赖于电子，就像传统电子显微镜一样。不同之处在于，量子计算机可以处理这些电子携带的信息，否则这些信息将会丢失。

“电子本身用于对小物体成像，就像在任何其他电子显微镜中一样。但通过在量子计算机中处理这些电子携带的量子信息，我们可以从该过程中提取更多的信息，”维也纳工业大学理论物理研究所的 Iva Březinová 说。 “以前与随机噪声无法区分的东西现在可以变成清晰的信号。”

这可以让科学家们恢复仅使用普通电子计数无法识别的有用细节。

“量子物理学使我们能够克服限制传统电子显微镜的统计限制，”埃利亚斯·佩斯科勒说。

从数学证明到工作显微镜

到目前为止，研究人员已经从数学上证明了新方法应该具有显着的优势。下一个挑战是通过实验证明这些好处。

在维也纳大学透射电子显微镜服务中心（USTEM），研究人员正准备将基于离子的量子计算机集成到电子显微镜中。这台量子计算机是由因斯布鲁克大学的菲利普·辛德勒团队开发的。

如果该系统按预期工作，它可以开辟一种新的电子显微镜方法，研究人员可以在将敏感样品暴露于更少的电子的同时获得更多信息。

“令人兴奋的是，在 QuantA 卓越集群中，我们可以结合奥地利不同大学在量子信息、量子计算和电子显微镜方面的专业知识。这使我们能够启动一个独特的项目，”维也纳大学的 Thomas Juffmann 说道。

该联盟的主要资金由维也纳大学协调，来自奥地利科学基金 (FWF)、卓越集群 quantA 以及戈登和贝蒂摩尔基金会。