Forestil dig dette

Du er forsker. Du vil kigge på noget crazy småt — måske et enkelt proteinmolekyle. Problemet? Sådan noget er så småt, at normale mikroskoper ikke duer til en skid. Du har brug for noget kraftigere. Så du tænder for et elektronmikroskop.

Men der er et problem: Din prøve er skrøbelig. Virkelig skrøbelig. Hver elektron, der rammer dit protein, er lidt som at stikke til det med en miniature-hammer. Gør du det for mange gange, ødelægger du prøven, før du overhovedet får et ordentligt billede.

Sådan et dilemma har forskerne på TU Wien (Wien Universitet for Teknologi, altså Østrig) grublet over. Og deres løsning? De har sat et elektronmikroskop sammen med en kvantecomputer.

Hvorfor i alverden hjælper en kvantecomputer?

Godt spørgsmål. Lad mig prøve at forklare det uden at kede dig ihjel.

I et normalt elektronmikroskop tæller forskerne egentlig bare elektroner. Elektron rammer prøve, springer tilbage, bliver registreret, og så bygger du billedet op stykke for stykke. Det er lidt som at tage et virkelig langsomt foto med enkelte fotoner i stedet for en hel flash.

Men her er den ting: Hver elektron indeholder en masse kvanteinformation, som normalt bare går tabt. Kvantefysik lader partikler dele information på måder, der kan være svære at begribe — de kan blive "sammenfiltrede", så det der sker med én elektron øjeblikkeligt påvirker en anden, selv på tværs af afstande.

Den østrigske gruppe indså: Hvad hvis vi greb den ekstra kvanteinformation, før den forsvandt?

Den smarte trick

Deres idé er at lade elektronerne vekselvirke med ioner — atomer med en elektrisk ladning — som er fanget på plads langs elektronstrålens vej. Når en elektron passerer én af disse ioner, kan de blive kvantesammenfiltrede. Elektronen og ionen deler nu en fælles kvantetilstand, lidt ligesom de holder hinanden i hånden på kvanteniveau.

Og her bliver det virkelig interessant. Efter at én elektron har vekselvirket med en ion, kan endnu en elektron komme forbi og gøre det samme. Og så én til. Og én mere. Hver eneste elektron sammenfiltrer sig med kvantecomputerens ioner.

Ved at udføre bestemte kvantecomputer-operationer mellem disse vekselvirkninger kan systemet kombinere information fra flere elektroner på en måde, der gør svage signaler meget stærkere. Det er næsten som om, kvantecomputeren "lytter" til alle elektronerne på én gang og finder mønstre i det, der normalt bare ville ligne tilfældig støj.

"Vores idé er at kombinere elektronerne med en kvantecomputer. Vi lader dem vekselvirke med ioner, der holdes fast langs elektronstrålens bane," forklarer Elias Pescoller, ph.d-studerende på projektet. "Dette kan for eksempel skabe kvantesammenfiltring mellem elektronen og kvantecomputeren. Elektronen og ionen deler derefter en fælles kvantetilstand."

Hvad det her kan betyde

Hvis det virker — og right now er det stadig under opbygning og test — kan det være et kæmpe gennembrud for studiet af følsomme biologiske materialer. Proteiner, cellestrukturer og andre skrøbelige prøver kunne potentielt afbildes med langt færre elektron-"prik", hvilket reducerer skader, mens man stadig får klare, brugbare billeder.

Holdet har matematisk vist, at denne tilgang bør virke. De har bevist, at kvantefysik lader os overvinde de statistiske grænser, der begrænser konventionelle elektronmikroskoper. Nu kommer den svære del: faktisk at bygge det og vise, at det fungerer i praksis.

En kvantecomputer baseret på fangede ioner (udviklet af forskere fra University of Innsbruck) bliver integreret i et elektronmikroskop på TU Wiens mikroskopicenter. Det er et ægte prototype, ikke bare ren teori.

Min vinkel

Jeg elsker historier som den her, fordi de viser, at kvantecomputing ikke bare handler om at bygge hurtigere computere til at løse bestemte matematiske problemer. Nogle gange handler det om at få kvantemekanik til at arbejde sammen med eksisterende teknologier på smarte nye måder.

Elektronmikroskopet blev opfundet for næsten et århundrede siden. Kvantecomputeren er knap et årti gammel i nogen praktisk forstand. Og nu fik nogen den kreative idé at smelte dem sammen. Videnskaben udvikler sig nogle gange ikke gennem bedre instrumenter, men gennem bedre tænkning om, hvordan vi bruger de instrumenter, vi allerede har.

Vi bliver nødt til at vente og se, om prototypen indfrier løfterne. Men selv som et proof of concept minder dette projekt mig om, at de mest spændende gennembrud ofte sker i krydsfeltet mellem forskellige felter — i dette tilfælde kvantefysik, mikroskopi og datalogi, der bliver sammenfiltret med hinanden.