Amikor az elektronmikroszkóp és a kvantumszámítógép összefog

Képzeld el, hogy scientist vagy, és valami parányi dolgot akarsz megnézni – mondjuk egyetlen fehérjemolekulát. Ezek annyira kicsik, hogy a hagyományos fénymikroszkópokkal esélyed sincs. Kell valami erősebb. Mondjuk egy elektronmikroszkóp.

De itt jön a baj.

A mintád törékeny. Nagyon törékeny. Minden elektron, ami visszapattan a fehérjéről, tulajdonképpen úgy működik, mint egy apró kalapálás. Ha túl sokszor csinálod, a minta tönkremegy, még mielőtt tisztán láthatnád.

A bécsi TU Wien (Ausztria) kutatói ezen töprengtek. És a megoldásuk? Összekapcsolják az elektronmikroszkópot egy kvantumszámítógéppel.

De miért segítene ezen egy kvantumszámítógép?

Jó kérdés. Próbálom elmagyarázni úgy, hogy ne aludd el közben.

A hagyományos elektronmikroszkópban a tudósok tulajdonképpen csak számolják az elektronokat. Elektronnal lövik a mintát, az visszapattan, érzékelik, és darabonként építik a képet. Mintha egy nagyon lassú fényképet készítenél egyes fotonokkal, nem egy teljes villanással.

A lényeg viszont az, hogy minden elektron rengeteg kvantuminformációt hordoz, amit általában egyszerűen eldobunk. A kvantumfizika lehetővé teszi, hogy a részecskék furcsa módon osszák meg egymással az információt – össze tudnak gabalyodni. Vagyis ami az egyikkel történik, az azonnal hat a másikra, még ha nagy távolságra vannak egymástól.

Az osztrák csapat arra jött rá: mi lenne, ha ezt a plusz kvantuminformációt nem engednénk elillanni?

A trükk

Az ötletük az, hogy az elektronokat ionokkal – elektromos töltésű atomokkal – hozatják kölcsönhatásba. Ezeket az ionokat csapdában tartják az elektronsugár útjában. Amikor egy elektron elhalad egy ilyen ion mellett, kvantum-összekapcsoltság jöhet létre közöttük. Az elektron és az ion közös kvantumállapotot oszt meg, mintha a kvantum szintjén összefognák a kezüket.

És most jön a legizgalmasabb rész. Miután egy elektron kölcsönhat az ionnal, jöhet a következő elektron, és az is ugyanezt csinálja. Aztán még egy. Mindegyik összekapcsolódik a kvantumszámítógép ionjaival.

Ha pontos kvantumszámítógépes műveleteket végeznek ezeken a kölcsönhatásokon, a rendszer képes több elektron információját úgy kombinálni, hogy a gyenge jelek sokkal erősebbé válnak. Mintha a kvantumszámítógép egyszerre „hallgatná" az összes elekront, és mintázatokat szűrne ki abból, ami amúgy csak véletlenszerű zajnak tűnne.

„Az ötletünk az, hogy az elektronokat összekapcsoljuk egy kvantumszámítógéppel. Hagyjuk, hogy kölcsönhatásba lépjenek az ionokkal, amelyeket az elektronsugár útjába helyezünk" – magyarázza Elias Pescoller, a projektben részt vevő doktorandusz. „Ez például kvantum-összefonódást hozhat létre az elektron és a kvantumszámítógép között. Az elektron és az ion ekkor közös kvantumállapotot oszt meg."

Mit jelentene ez a gyakorlatban?

Ha ez működik – és egyelőre még építik, tesztelik –, az forradalmasíthatja az érzékeny biológiai anyagok vizsgálatát. Fehérjéket, sejtszerkezeteket és más törékeny mintákat sokkal kevesebb elektron „szurkálással" lehetne ábrázolni. Kevesebb kár, de tisztább, használhatóbb képek.

A csapat matematikailag bizonyította, hogy az eljárás működnie kell. Bebizonyították, hogy a kvantumfizika lehetővé teszi, hogy túllépjünk azokon a statisztikai korlátokon, amelyek a hagyományos elektronmikroszkópokat limitálják. Most jön a nehezebb rész: megépíteni és a gyakorlatban is bemutatni.

Egy csapdába zárt ionokon alapuló kvantumszámítógépet (amelyet az innsbrucki egyetem kutatói fejlesztettek) integrálnak egy elektronmikroszkópba a TU Wien mikroszkópi központjában. Ez most valós prototípus, nem csak elmélet.

Az én véleményem

Imádom az ilyen történeteket, mert megmutatják, hogy a kvantumszámítástechnika nem csak arról szól, hogy gyorsabb gépeket építsünk bizonyos matekfeladatokra. Néha arról szól, hogyan használjuk ravasz módon a kvantummechanikát a már meglévő technológiákkal együtt.

Az elektronmikroszkóp majdnem egy évszázada létezik. A kvantumszámítógép alig tízéves gyakorlatilag. És valaki azt a kreatív ötletet dobta be, hogy ezt a kettőt összeházasítja. A tudomány néha nem jobb műszerekkel fejlődik, hanem azzal, hogy jobban gondolkodunk arról, hogyan használjuk a már meglévőket.

Várnunk kell, hogy a prototípus beváltja-e a hozzá fűzött reményeket. De még bizonyítékra váró koncepcióként is emlékeztet arra, hogy a legizgalmasabb áttörések gyakran különböző területek metszéspontján születnek – ebben az esetben a kvantumfizika, a mikroszkópia és a számítógéptudomány kavarognak össze.