Квантовый компьютер в микроскопе улучшит четкость изображений образцов
Исследователи из Австрии предложили интегрировать компактный квантовый компьютер в электронный микроскоп. Это нововведение позволит значительно повысить качество изображений, не увеличивая количество электронов, проходящих через образец. В разработке участвуют специалисты Технического университета Вены (TU Wien), Венского университета, Университета Иоганна Кеплера в Линце (JKU Linz) и Университета Инсбрука. Об этом пишет Science XXI.
Новая схема решает проблему, связанную с хрупкими образцами, такими как отдельные белки. Увеличение числа электронов, направляемых на образец, приводит к более четким изображениям, но также повышает риск повреждения материала. «Сегодня мы можем получать изображения мельчайших деталей на атомном уровне, — говорит Филипп Хасленгер из Института атомной и субатомной физики TU Wien. — Однако для этого требуется большое количество электронов, и не каждый образец может выдержать такое количество без повреждений. Это часто становится проблемой, особенно при визуализации биологических образцов, таких как отдельные белки».
Идея исследователей заключается в том, чтобы извлекать больше информации из каждого электрона до того, как она будет потеряна. Электроны, проходящие через микроскоп, взаимодействуют с ионами, удерживаемыми на пути пучка. Эти ионы являются частью квантового компьютера и могут запутываться с пролетающими электронами. «Наша идея — объединить электроны с квантовым компьютером. Мы позволяем им взаимодействовать с ионами, которые удерживаются на пути электронного пучка, — поясняет Элиас Песколлер, первый автор публикации и докторант Института теоретической физики и Института атомной и субатомной физики TU Wien. — Это может, например, создавать квантовую запутанность между электроном и квантовым компьютером. Электрон и ион тогда разделяют общее квантовое состояние».
Такое взаимодействие позволяет иону сохранять квантовую информацию, связанную с электроном, даже после его прохождения. При следующем электроне он может взаимодействовать с квантовым компьютером аналогичным образом. Таким образом, информация от последовательных электронов накапливается, а не рассматривается как отдельные измерения. «Если мы каждый раз выполняем очень специфические квантовые операции, мы можем оптимально объединить информацию от нескольких электронов, чтобы получить сигнал максимальной силы, хотя используем лишь относительно небольшое их число», — отмечает Деннис Ретцель из Института атомной и субатомной физики TU Wien. Квантовые алгоритмы для объединения информации разработаны совместно с командой Йоханнеса Кофлера в JKU Linz.
Сам микроскоп продолжит использовать электроны для зондирования и визуализации образца. Изменится лишь количество информации, которую исследователи пытаются извлечь из этих электронов. В обычном электронном микроскопе измерения в основном сводятся к регистрации и подсчету электронов, в то время как новая система добавит обработку квантовой информации, которую частицы несут после взаимодействия с ионами. «Сами электроны используются для визуализации мелких объектов, как и в любом другом электронном микроскопе. Но, обрабатывая квантовую информацию, переносимую этими электронами, в квантовом компьютере, мы можем извлечь из процесса значительно больше информации, — говорит Ива Брезинова из Института теоретической физики TU Wien. — То, что раньше было неотличимо от случайного шума, может стать четким сигналом». Обычный подсчет электронов ограничен статистическими пределами, и при малом их числе слабые детали изображения трудно отличить от случайных флуктуаций. «Квантовая физика позволяет нам преодолеть статистические ограничения, которые сдерживают обычные электронные микроскопы», — добавляет Песколлер.
Пока преимущества подхода подтверждены только математически, а не на работающем микроскопе. Теперь исследователи готовятся проверить, воспроизводятся ли эти теоретические выигрыши экспериментально. В Университетском сервисном центре просвечивающей электронной микроскопии TU Wien (USTEM) команда планирует объединить ионный квантовый компьютер, созданный группой Филиппа Шиндлера в Университете Инсбрука, с электронным микроскопом. Для этого потребуется объединить компетенции из обычно раздельных областей — квантовой информации, квантовых вычислений и электронной микроскопии. Работа ведется в рамках австрийского кластера передового опыта quantA. «Очень вдохновляет, что в рамках кластера передового опыта quantA мы можем объединить экспертизу в области квантовой информации, квантовых вычислений и электронной микроскопии, имеющуюся в разных университетах Австрии. Это позволяет нам запустить уникальный проект», — говорит Томас Юффманн из Венского университета. Если экспериментальная система заработает так, как предсказано, её главным преимуществом станет возможность получать больше полезной информации при меньшем числе электронов. Это сделает электронную микроскопию более пригодной для хрупких образцов, включая отдельные белки, которые могут быть повреждены прежде, чем обычная визуализация соберёт достаточно электронов для четкой картины. Результаты опубликованы в arXiv.
