Tenk deg dette

Du er forsker og vil studere noe så lite at det knapt finnes – kanskje et enkelt proteinmolekyl. Vanlige lysmikroskop er fullstendig ubrukelige her. Du trenger noe kraftigere, og skrur på et elektronmikroskop.

Men så har du et problem: prøven din er skjør. Virkelig skjør. Hvert elektron som spretter av proteinet ditt er som å dytte borti det med en liten hammer. Gjør du det for mange ganger, ødelegger du prøven før du i det hele tatt har fått et ordentlig bilde.

Dette er dilemmaet forskerne ved TU Wien har grublet på. Og løsningen deres? Koble elektronmikroskopet til en kvantedatamaskin.

Hvorfor i all verden skulle en kvantedatamaskin hjelpe?

Godt spørsmål. La meg prøve å forklare uten at du sovner.

I et vanlig elektronmikroskop teller forskerne stort sett bare elektroner. Elektron treffer prøven, spretter av, blir registrert, og så bygger du opp et bilde bit for bit. Tenk deg å ta et ekstremt tregt bilde med enkelte fotoner i stedet for en hel blitz.

Det som er poenget: hvert elektron bærer på masse kvanteinformasjon som vanligvis bare går tapt. Kvantefysikk lar partikler dele informasjon på måter som er skikkelig vanskelige å begripe – de kan bli «sammenfiltret», noe som betyr at det som skjer med én partikkel øyeblikkelig påvirker den andre, selv over enorme avstander.

Det østerrikske teamet innså: hva om vi tok vare på den ekstra kvanteinformasjonen i stedet for å la den forsvinne?

Trikset

Idéen deres er å la elektronene samhandle med ioner – atomer med elektrisk ladning – som er fanget på plass langs elektronstrålens bane. Når et elektron passerer et av disse ionene, kan de bli kvantesammenfiltret. Elektronet og ionet deler nå en felles kvantetilstand, litt som om de holder hender på kvantenivå.

Her blir det virkelig interessant. Etter at ett elektron har samhandlet med et ion, kan et annet elektron komme bort og gjøre det samme. Så et tredje. Deretter et fjerde. Hvert eneste elektron floker seg sammen med kvantedatamaskinens ioner.

Ved å utføre bestemte kvanteoperasjoner mellom disse samhandlingene, kan systemet kombinere informasjon fra flere elektroner på en måte som gjør svake signaler mye sterkere. Det er nesten som om kvantedatamaskinen «lytter» til alle elektronene samtidig og trekker ut mønstre fra det som normalt bare ville sett ut som tilfeldig støy.

«Vår idé er å kombinere elektronene med en kvantedatamaskin. Vi lar dem samhandle med ioner som holdes på plass langs elektronstrålens bane,» forklarer Elias Pescoller, doktorgradsstudent ved prosjektet. «Dette kan for eksempel skape kvantesammenfiltring mellom elektronet og kvantedatamaskinen. Elektronet og ionet deler da en felles kvantetilstand.»

Hva dette kan bety

Hvis dette fungerer – og akkurat nå bygges og testes det fortsatt – kan det bli et vendepunkt for studier av følsomme biologiske materialer. Proteiner, cellestrukturer og andre skjøre prøver kunne kanskje avbildes med langt færre elektron «dunk», noe som reduserer skade samtidig som man fortsatt får klare, nyttige bilder.

Teamet har matematisk vist at tilnærmingen bør virke. De har bevist at kvantefysikk lar oss overvinne de statistiske begrensningene som hemmer konvensjonelle elektronmikroskop. Nå kommer den vanskeligste delen: faktisk å bygge det og demonstrere at det fungerer i praksis.

En kvantedatamaskin basert på fangede ioner (utviklet av forskere ved Universitetet i Innsbruck) integreres i et elektronmikroskop ved TU Wiens mikroskopisenter. Dette er en skikkelig prototype, ikke bare teoretiske øvelser.

Min vurdering

Jeg elsker historier som dette fordi de viser at kvantedatabehandling ikke bare handler om å bygge raskere maskiner for å løse visse matematikkproblemer. Noen ganger handler det om å få kvantemekanikken til å samarbeide med eksisterende teknologi på smarte nye måter.

Elektronmikroskopet ble oppfunnet for nesten et århundre siden. Kvantedatamaskinen er knapt et tiår gammel i praktisk forstand. Og nå fikk noen den kreative idéen å slå dem sammen. Vitenskapen utvikler seg noen ganger ikke gjennom bedre instrumenter, men gjennom bedre tenkning om hvordan vi bruker instrumentene vi allerede har.

Vi må bare vente og se om prototypen innfrir løftene. Men selv som et bevis på konseptet minner dette prosjektet meg om at de mest spennende gjennombruddene ofte skjer ved skjæringspunktet mellom ulike felt – i dette tilfellet kvantefysikk, mikroskopi og datavitenskap som alle blir sammenfiltret sammen.