Mikroskop elektronowy spotyka komputer kwantowy. Brzmi jak sci-fi, ale to realny projekt

Zamknij oczy i wyobraź sobie taką scenę.

Jesteś naukowcem. Chcesz zobaczyć coś naprawdę malutkiego — powiedzmy, pojedynczą cząsteczkę białka. Problem jest taki, że zwykłe mikroskopy optyczne kompletnie się tu nie sprawdzą. Potrzebujesz czegoś mocniejszego. Elektronowego mikroskopu.

Ale zaraz, jest haczyk. Twoja próbka jest delikatna. Bardzo delikatna. Każdy elektron, który odbija się od białka, to tak naprawdę jak uderzenie malutkim młotkiem. Zrób to zbyt wiele razy, a zniszczysz próbkę, zanim w ogóle zrobisz sensowne zdjęcie.

I właśnie z tym dylematem mierzą się badacze z TU Wien — czyli Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu w Austrii. Ich rozwiązanie? Podłączyć mikroskop elektronowy do komputera kwantowego.

Dlaczego komputer kwantowy miałby w tym pomóc?

Dobre pytanie. Spróbuję wytłumaczyć to bez usypiania.

W zwykłym mikroskopie elektronowym naukowcy głównie liczą elektrony. Elektron uderza w próbkę, odbija się, jest wykrywany — i tak stopniowo budują obraz. Trochę jak robienie zdjęcia pojedynczymi fotonami zamiast całym błyskiem lampy.

Tylko że każdy elektron niesie ze sobą masę dodatkowych informacji kwantowych, które normalnie po prostu się marnują. Fizyka kwantowa pozwala cząstkom dzielić się informacją w sposób, który trudno sobie wyobrazić — mogą się "splątać", co oznacza, że to co dzieje się z jedną, natychmiast wpływa na drugą, nawet jeśli są daleko od siebie.

Austriacki zespół wpadł na pomysł: a gdyby tak przechwycić tę dodatkową informację kwantową zamiast ją wyrzucać?

Sprytny myk

Ich koncepcja polega na tym, żeby przepuścić elektrony obok uwięzionych jonów — czyli atomów z ładunkiem elektrycznym, które są unieruchomione na drodze wiązki elektronowej. Kiedy elektron mija taki jon, obie cząstki mogą się ze sobą kwantowo splątać. Elektron i jon tworzą wspólny stan kwantowy — jakby trzymały się za ręce na poziomie kwantowym.

A teraz robi się naprawdę ciekawie. Kiedy jeden elektron splącze się z jonem, może przyjść następny i zrobić to samo. Potem kolejny. I jeszcze jeden. Każdy z nich splątuje się z jonami komputera kwantowego.

Poprzez wykonywanie określonych operacji kwantowych między tymi interakcjami, system może łączyć informacje z wielu elektronów w taki sposób, że słabe sygnały stają się znacznie silniejsze. To trochę jakby komputer kwantowy "słuchał" wszystkich elektronów naraz i wyławiał wzorce z tego, co normalnie wyglądałoby jak przypadkowy szum.

"Nasza koncepcja polega na połączeniu elektronów z komputerem kwantowym. Pozwalamy im oddziaływać z jonami, które są unieruchomione na drodze wiązki elektronowej" — wyjaśnia Elias Pescoller, doktorant pracujący nad projektem. "To na przykład tworzy kwantowe splątanie między elektronem a komputerem kwantowym. Elektron i jon dzielą wtedy wspólny stan kwantowy."

Co to oznacza w praktyce?

Jeśli to zadziała — a na razie projekt jest w fazie budowy i testowania — może to być prawdziwa rewolucja w badaniu wrażliwych materiałów biologicznych. Białka, struktury komórkowe i inne delikatne próbki można by potencjalnie obrazować znacznie mniejszą liczbą "puknięć" elektronowych, ograniczając zniszczenia, a jednocześnie uzyskując wyraźne, użyteczne obrazy.

Zespół matematycznie wykazał, że ta metoda powinna działać. Udowodnili, że fizyka kwantowa pozwala przezwyciężyć statystyczne ograniczenia, które dotychczas krępowały konwencjonalne mikroskopy elektronowe. Teraz przychodzi trudniejsza część: faktycznie to zbudować i pokazać, że działa w praktyce.

Komputer kwantowy oparty na uwięzionych jonach (opracowany przez badaczy z Uniwersytetu w Innsbrucku) jest integrowany z mikroskopem elektronowym w centrum mikroskopowym TU Wien. To prawdziwy prototyp, nie tylko ćwiczenie teoretyczne.

Moja refleksja

Uwielbiam takie historie, bo pokazują, że komputery kwantowe to nie tylko budowanie szybszych maszyn do rozwiązywania pewnego rodzaju zadań matematycznych. Czasem chodzi o to, żeby mechanika kwantowa współpracowała z istniejącymi technologiami w sprytny, nowy sposób.

Mikroskop elektronowy wymyślono prawie sto lat temu. Komputer kwantowy w praktycznym sensie ma może z dziesięć lat. I ktoś wpadł na kreatywny pomysł, żeby je ze sobą połączyć. Nauka czasem posuwa się do przodu nie dzięki lepszym narzędziom, ale dzięki lepszemu myśleniu o tym, jak wykorzystać narzędzia, które już mamy.

Trzeba będzie poczekać i zobaczyć, czy prototyp spełni obietnice. Ale nawet jako dowód koncepcji, ten projekt przypomina mi, że najbardziej ekscytujące przełomy często rodzą się na styku różnych dziedzin — w tym przypadku fizyki kwantowej, mikroskopii i informatyki, które splątują się ze sobą.