Když se potkají dva světy: kvantový počítač v elektronovém mikroskopu

Představ si, že jsi vědec a chceš si prohlédnout jednu jedinou bílkovinu. Jenže tahle věc je tak malinká, že běžný světelný mikroskop vůbec nepomůže. Sáhneš tedy po elektronovém mikroskopu.

Tady ale začíná problém. Tvoje vzorek je křehký. Opravdu křehký. Každý elektron, který od bílkoviny odrazíš, je vlastně jako malinkaté kladívko. A když to děláš moc často, vzorek se rozpadne dřív, než stihneš pořídit slušný obrázek.

Přesně na tomhle paradoxu si láme hlavu tým z TU Wien, tedy Vídeňské technické univerzity v Rakousku. Jejich řešení? Připojit elektronový mikroskop ke kvantovému počítači.

Proč by kvantový počítač vůbec pomohl?

Dobrá otázka. Zkusím to vysvětlit without usínání uprostřed věty.

V normálním elektronovém mikroskopu vědci v podstatě jen počítají elektrony. Elektron dopadne na vzorek, odrazí se, senzor ho zaznamená — a tak pořád dokola. Pomalu se skládá obraz z jednotlivých částeček, jako když fotíš fotoaparátem, který neumí blesk a musí trpělivě sbírat jednotlivá světla.

Problém je, že každý elektron s sebou nese spoustu kvantových informací, které normálně jednoduše přijdou vniveč. Kvantová fyzika umožňuje částicím sdílet informace způsoby, které jsou trochu na hlavu — můžou se takzvaně "provázat" neboli entanglement. Co se stane s jednou částicí, ovlivní druhou okamžitě, a to i když jsou na opačných koncích místnosti.

Rakouský tým si uvědomil: co kdybychom tyhle kvantové informace zachytili místo toho, abychom je nechali utéct?

Chytrý trik

Nápad je následující: nechat elektrony interagovat s ionty — tedy atomy s elektrickým nábojem — které jsou uvězněny na dráze elektronového paprsku. Když elektron mine jeden z těchto iontů, můžou se spolu kvantově provázat. Elektron a iont pak sdílejí společný kvantový stav, jako kdyby se drželi za ruce na kvantové úrovni.

A tady to začíná být opravdu zajímavé. Poté, co jeden elektron interaguje s iontem, přijde další elektron a udělá to samé. A pak další. A další. Každý z nich se prováže s ionty kvantového počítače.

Provedením specifických kvantových operací mezi těmito interakcemi dokáže systém zkombinovat informace z více elektronů najednou tak, že slabé signály jsou najednou výrazně silnější. Je to skoro jako kdyby kvantový počítač "poslouchal" všechny elektrony současně a hledal v nich vzory, které by jinak vypadaly jako náhodný šum.

"Naše myšlenka je zkombinovat elektrony s kvantovým počítačem. Necháme je interagovat s ionty, které jsou drženy na dráze elektronového paprsku," vysvětluje Elias Pescoller, doktorand zapojený do projektu. "Tím se může například vytvořit kvantové provázání mezi elektronem a kvantovým počítačem. Elektron a iont pak sdílejí společný kvantový stav."

Co by to mohlo znamenat

Kdyby to fungovalo — a zatím se to teprve staví a testuje — mohlo by to být průlomové pro výzkum citlivých biologických materiálů. Bílkoviny, buněčné struktury a další choulostivé vzorky by se mohly zobrazovat s výrazně menším počtem elektronových "ťuknutí", což by snížilo poškození, ale pořád byste dostali jasné a užitečné snímky.

Tým matematicky dokázal, že by tenhle přístup měl fungovat. Ukázali, že kvantová fyzika nám umožňuje překonat statistické limity, které běžné elektronové mikroskopy mají. Teď přijde ta těžší část: postavit to a ukázat, že to funguje i v praxi.

Kvantový počítač založený na uvězněných iontech (vyvinutý na Univerzitě Innsbruck) se integruje do elektronového mikroskopu v mikroskopickém centru TU Wien. Je to skutečný prototyp, ne jen teoretické cvičení.

Co si o tom myslím

Miluju příběhy jako je tenhle, protože ukazují, že kvantové počítače nejsou jen o rychlejších výpočtech pro složité matematické úlohy. Někdy jde o to, jak chytře nechat kvantovou mechaniku spolupracovat s existujícími technologiemi.

Elektronový mikroskop byl vynalezen skoro před sto lety. Kvantový počítač v jakémkoliv praktickém smyslu ani neoslavil desetiny. A teď někdo přišel s nápadem je spojit. Věda se někdy posouvá kupředu ne lepšími přístroji, ale lepším uvažováním o tom, jak stávající přístroje využít.

Uvidíme, jestli prototyp splní očekávání. Ale i jako důkaz konceptu mi tenhle projekt připomíná, že ty nejzajímavější průlomy se často dějí na průsečíku různých oborů — v tomto případě kvantové fyziky, mikroskopie a informatiky, které se všechny vzájemně proplétají.