Физики придумали, как улучшить электронный микроскоп с помощью квантового компьютера
Электронные микроскопы применяют везде, где необходимо разглядеть особо мелкие детали. Однако, строго говоря, каждый электрон в обычном электронном микроскопе — это упущенная возможность: если просто подсчитывать число электронов, вся дополнительная квантовая информация, которую они несут, остается невостребованной.
Австрийские физики нашли способ извлечь эти ценные данные. Для этого они предлагают соединить электронный пучок с квантовым компьютером. Принципиально новая архитектура электронной микроскопии описана в статье для журнала Physical Review Letters, доступной на сервере препринтов arXiv.
«Сегодня мы можем видеть детали вплоть до атомного масштаба, но для этого требуется огромное количество электронов. Не каждый образец способен выдержать такую нагрузку без повреждений. Особенно остро эта проблема стоит при визуализации биологических объектов, например отдельных белков», — говорит Филипп Хаслингер из Венского технического университета (TU Wien), один из авторов исследования.
Если же из каждого отдельного электрона удается извлечь больше информации — можно обойтись меньшим их числом. Поток электронов в квантово-электронном микроскопе, возможно, придется даже ослаблять.
«Наша идея — объединить электроны с квантовым компьютером. Мы заставляем их взаимодействовать с ионами, которые удерживаются на пути электронного пучка. Так можно создать квантовую запутанность между электроном и квантовым компьютером — чтобы электрон и ион были объединены общим квантовым состоянием», — объясняет первый автор статьи Элиас Песколлер из TU Wien.
Запутанными окажутся и последующие электроны, прилетевшие к мишени. Считанные с каждого из них данные после обработки в квантовом компьютере сложатся в максимально четкое изображение.
«Сами электроны, как и в любом другом электронном микроскопе, служат для получения изображения мелких объектов. Однако за счет обработки их квантовой информации в квантовом компьютере мы извлекаем из процесса значительно больше полезных данных, То, что раньше было бы неотличимо от случайного шума, теперь становится отчетливым сигналом», — отмечает Ива Бржезинова из TU Wien.
Таким образом, квантовая физика открывает здесь возможности, которые в принципе недостижимы при обычном классическом подсчете электронов, без использования квантовых эффектов, резюмирует Песколлер.
В статье авторы математически строго доказали преимущества нового метода. Проверять идею на практике будут в Центре трансмиссионной электронной микроскопии TU Wien, где планируют интегрировать в электронный микроскоп разработанный в Инсбрукском университете ионный квантовый компьютер.
