Forskare i Österrike utvecklar ett elektronmikroskop som ska kopplas till en kvantdator. Målet är att få ut mer information ur varje elektron och därmed kunna skapa tydligare bilder utan att utsätta känsliga prover för lika mycket strålning.
Tekniken kan bli särskilt värdefull vid undersökningar av biologiska material, exempelvis enskilda proteiner, som lätt skadas av elektronstrålen i ett elektronmikroskop.
Elektroner kan skada det som undersöks
Elektronmikroskop använder elektroner i stället för synligt ljus. Eftersom elektronernas våglängd är mycket kort kan instrumenten avbilda detaljer ända ner på atomnivå.
Den höga upplösningen har dock ett pris. För att skapa en tydlig bild krävs normalt ett stort antal elektroner. När elektronerna träffar provet kan de förändra eller förstöra dess struktur innan forskarna har hunnit samla in tillräckligt med information.
Problemet är särskilt stort inom strukturbiologi och materialforskning, där proverna kan vara både små och känsliga.
Kvantdatorn samlar information från elektronerna
Den nya metoden bygger på att elektronerna kopplas till joner som hålls på plats i jonfällor längs elektronens väg. Jonerna fungerar som kvantbitar i en liten kvantdator.
När en elektron passerar kan dess kvanttillstånd kopplas samman med en jon genom så kallad kvantsammanflätning. Jonen bär då information om elektronen även efter att elektronen har fortsatt genom mikroskopet.
Nästa elektron kan kopplas till samma kvantsystem. Genom särskilda kvantoperationer kan information från flera elektroner kombineras innan den slutliga mätningen genomförs.
Tanken är alltså inte att kvantdatorn ska skapa bilden på egen hand. Elektronerna används fortfarande för att undersöka provet, men kvantdatorn hjälper forskarna att ta tillvara mer av den information som varje elektron bär på.
Svaga signaler kan bli synliga
I ett vanligt elektronmikroskop registreras elektronerna huvudsakligen som separata träffar. En del av deras kvantinformation går därför förlorad.
Forskarna bakom den nya metoden visar matematiskt att kvantinformationen kan användas för att förstärka signalen. Det som annars skulle försvinna i statistiskt brus kan då bli möjligt att urskilja.
Enligt forskarnas beräkningar kan tekniken överskrida de statistiska begränsningar som gäller för traditionell elektronräkning. Det innebär potentiellt att en användbar bild kan skapas med en lägre elektrondos.
Mikroskopet återstår att testa
Resultaten innebär ännu inte att ett färdigt kvantförstärkt elektronmikroskop har demonstrerats. Studien beskriver den teoretiska metoden och hur fria elektroner kan kopplas till en jonbaserad kvantdator.
Nästa steg är att bygga och testa systemet. Vid Wiens tekniska universitet ska forskarna integrera en jonbaserad kvantdator i ett transmissionselektronmikroskop.
Om tekniken fungerar experimentellt kan den på sikt göra det lättare att undersöka proteiner, biologiska strukturer och strålningskänsliga material. Men hur stor förbättringen blir i praktiska mikroskop måste först avgöras genom experiment.