澳大利亚,新南威尔士州
一项新发明可以通过将小型量子计算机直接集成到显微镜中，显著提升电子显微镜的技术性能。
对于像单个蛋白质这样精细的样品，电子显微镜面临一个根本性的权衡。要获得更清晰的图像，通常需要通过样品送出更多电子，但增加剂量也增加了损伤研究人员正在观察的材料的风险。
奥地利的研究人员提出了一种绕过这一限制的方法，将电子显微镜与量子计算机耦合。系统不再仅用电子形成图像并丢弃它们携带的额外量子信息，而是保留和处理这些信息。原则上，这可以在不消耗过多电子的情况下增强信号。
现在科学家们可以成像原子尺度上的微小细节。然而，这需要大量电子。而且并非每个样品都能暴露在如此多的电子下而不受损。这常常是一个问题，尤其是在成像单个蛋白质等生物样本时。
被困离子能够保护通过电子传递的信息
研究人员的方法是在失去每个电子信息之前，从每个电子中提取更多信息。
维也纳工业大学、维也纳大学、林茨JKU和因斯布鲁克大学的团队开发了一种方案，使电子在显微镜中移动时与束流路径上固定的离子相互作用。这些离子构成量子计算机的一部分，可能与通过的电子纠缠在一起。
研究人员的想法是将电子与量子计算机结合，让它们与沿电子束路径固定的离子相互作用。例如，这可以在电子和量子计算机之间制造量子纠缠。电子和离子随后共享一个联合的量子态。”
这种相互作用使得即使电子在显微镜下继续移动，离子仍能保留与一个电子相关的量子信息。当另一个电子到达时，它可以以同样的方式与量子计算机相互作用。因此，来自连续电子的信息可以被累积，而非作为一系列完全独立的测量。
如果每次都进行非常具体的量子计算操作，就能最优地将多个电子的信息组合起来，从而获得最大强度的信号，而且只用了相对较少的电子。
量子处理可以揭示隐藏在噪声中的信号
显微镜仍然依赖电子来探测和成像样品。改变的是研究人员试图从这些电子中恢复多少信息。
在传统电子显微镜中，测量主要基于检测和计数电子。该系统将通过处理粒子与被困离子相互作用后携带的量子信息，增加另一层。
电子本身被用来成像小物体，就像其他电子显微镜一样。但通过在量子计算机中处理这些电子携带的量子信息，研究人员可以从中提取出显著更多的信息。以前与随机噪声无法区分的信号，因此可以变成清晰信号。
这很重要，因为普通电子计数受统计限制。当只有少量电子能安全使用时，图像中的弱特征可能难以与随机波动区分。研究人员表示，通过利用纠缠等量子效应，他们的方法能够检索到传统测量未被使用的信息。量子物理让科学家们能够克服传统电子显微镜的统计限制。
量子显微镜现在面临实验测试
目前，该方法的优势已通过数学方式证明，而非在工作显微镜中。研究人员现在正准备测试这些理论上的成果是否可以通过实验重现。
在维也纳工业大学的透射电子显微镜大学服务中心（USTEM），团队计划将由因斯布鲁克大学菲利普·辛德勒团队开发的基于离子的量子计算机与电子显微镜集成。
这需要汇集通常属于不同研究领域的专业知识，包括量子信息、量子计算和电子显微镜。该合作通过奥地利的 quantA 卓越集群进行。
令人非常兴奋的是，在quantA卓越集群中，研究人员能够结合奥地利各大学在量子信息、量子计算和电子显微镜方面的专业知识启动一个独特的项目。
如果实验系统如预期般工作，其主要优势将是能够从较少的电子数量中恢复更多有用信息。这可能使电子显微镜更适合脆弱的样本，包括单个蛋白质，这些样本可能在传统成像收集足够电子以产生清晰图像之前受损。
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