Аннотация:
Ряд научно-исследовательских групп в Австрии недавно предложили и проверяют революционное техническое решение: путем непосредственной интеграции небольшого квантового компьютера с ионной ловушкой в электронный микроскоп, эффект квантовой запутанности используется для полного извлечения квантовой информации, переносимой электронами, тем самым значительно уменьшая радиационное повреждение хрупких образцов и одновременно значительно улучшая четкость микроскопических изображений.
Ожидается, что этот проект, совместно осуществляемый Венским техническим университетом, Венским университетом, Университетом Иоганна Кеплера в Линце и Инсбруком, полностью решит трудности с визуализацией, с которыми сталкиваются традиционные электронные микроскопы при наблюдении хрупких образцов, таких как биологические макромолекулы.
При использовании традиционной электронной микроскопии исследователи часто сталкиваются с непримиримыми противоречиями. Получение четких изображений с высокой контрастностью и низким уровнем шума часто требует увеличения дозы электронов, проникающих в образец, но это может легко повредить чрезвычайно чувствительные биологические материалы, такие как молекулы белка. Если интенсивность электронной бомбардировки намеренно уменьшена, чтобы защитить образец, слабый сигнал изображения будет легко заглушен случайным шумом. Традиционные микроскопы рассматривают электроны только как подсчитывающие частицы, попадающие в детектор, напрямую отбрасывая большое количество дополнительной квантовой информации, которую несут сами электроны.
Чтобы решить это физическое ограничение, исследовательская группа разработала новый механизм квантовой связи. Когда электронный луч проходит через микроскоп и движется по оптическому пути, исследователи направляют его на контролируемое взаимодействие с ионами, которые были захвачены и зафиксированы заранее, так что электроны, проникающие в образец, оказываются квантово запутанными с квантовым компьютером ионной ловушки, а информация о состоянии образца, переносимая электронами, полностью сохраняется в ионах. Когда последующие электроны проходят один за другим и снова запутываются в системе, квантовый компьютер выполняет специально разработанные алгоритмические операции для оптимального объединения квантовой информации от нескольких электронов, преобразуя слабые сигналы, которые изначально были нераспознаваемы при классических статистических измерениях, в эффективные изображения с высоким контрастом, тем самым преодолевая статистические ограничения традиционных электронных микроскопов на математическом и физическом уровнях.
Теоретические преимущества этой схемы ранее были подтверждены строгими математическими доказательствами. В настоящее время исследовательская группа создает и экспериментально проверяет первый прототип системы в Университетском сервисном центре просвечивающей электронной микроскопии Венского технического университета, точно интегрируя ионное квантовое компьютерное оборудование, разработанное Инсбрукским университетом, с устройством просвечивающего электронного микроскопа. Если последующая экспериментальная проверка оправдает теоретические ожидания, эта технология синтеза позволит наблюдать тонкую структуру отдельных хрупких белков и биологических образцов в неразрушающем состоянии, открывая новый путь микроскопических наблюдений для структурной биологии и науки о наноматериалах.
Комментарии