Kun kvanttikoneen ja elektronimikroskopin tiet erosivat

Kuvittele hetkeksi, että olet tutkija ja yrität nähdä jotain hävyttömän pientä — vaikkapa yksittäistä valkuaisainemolekyyliä.

Tavalliset valomikroskoopit eivät pysty tähän lainkaan. Tarvitset tehokkaamman työkalun, joten käännyt elektronimikroskoopin puoleen.

Mutta tässä on ongelma: näytteesi on herkkä. Todella herkkä. Jokainen elektroni, joka pomppaa molekyylistäsi, on käytännössä kuin työntäisit sitä pienellä vasaralla. Jos pommitat tarpeeksi monta kertaa, näyte tuhoutuu ennen kuin saat siitä kunnon kuvan.

Tämä on se pulma, jota Itävallan Wienin teknillisessä yliopistossa (TU Wien) on pohdittu. Ja heidän ratkaisunsa? Yhdistetään elektronimikroskooppi kvanttikoneeseen.

Miksi kvanttikone edes auttaisi?

Hyvä kysymys. Yritän selittää sen ilman, että nukahdat kesken kaiken.

Normaalissa elektronimikroskoopissa tutkijat lähinnä laskevat elektroneja. Elektroni osuu näytteeseen, kimpoaa takaisin, sensori havaitsee sen, ja kuva rakennetaan pala palalta. Se on kuin ottaisi superhidasta valokuvaa yksittäisillä valofotoneilla tavallisen välähdyksen sijaan.

Juttu on vain se, että jokainen elektroni kantaa mukanaan kaikenlaista kvantti-informaatiota, joka normaalisti heitetään menemään. Kvanttifysiikka sallii hiukkasten jakaa tietoa tavalla, jota on vaikea sulattaa — ne voivat kietoutua toisiinsa niin sanotusti "lomittuneiksi", jolloin mitä tapahtuu yhdelle, vaikuttaa toiseen välittömästi, etäisyydestä riippumatta.

Itävaltalaisryhmä tajusi: entä jos napataankin se ylimääräinen kvantti-informaatio sen sijaan, että päästettäisiin se käsistä?

Nerokas kikka

Heidän ideansa on päästää elektronit vuorovaikutukseen ionien kanssa — varautuneiden atomien kanssa, jotka on vangittu paikoilleen elektronisuihkun reitille. Kun elektroni ohittaa yhden näistä ioneista, ne voivat lomittua kvanttimekaanisesti. Elektroni ja ioni jakavat nyt yhteisen kvanttitilan, ikään kuin ne kättelisivät kvanttitasolla.

Ja nyt alkaa varsinainen juttu. Kun yksi elektroni on vuorovaikuttanut ionin kanssa, toinen elektroni voi tulla perään ja tehdä saman. Sitten kolmas. Sitten neljäs. Jokainen niistä lomittuu kvanttikoneen ionien kanssa.

Suorittamalla tiettyjä kvanttilaskentaoperaatioita näiden vuorovaikutusten välillä järjestelmä voi yhdistää tietoa useista elektroneista tavalla, joka vahvistaa heikkoja signaaleja huomattavasti. Se on melkein kuin kvanttikone "kuuntelisi" kaikkia elektroneja yhtä aikaa ja poimisi säännönmukaisuuksia siitä, mikä muuten näyttäisi vain satunnaissuikalta.

"Ideamme on yhdistää elektronit kvanttikoneeseen. Annamme niiden vuorovaikuttaa ionien kanssa, jotka on pidetty paikoillaan elektronisuihkun varrella", selittää Elias Pescoller, projektissa työskennellyt tohtoriopiskelija. "Tämä voi esimerkiksi luoda kvanttilomittumisen elektronin ja kvanttikoneen välille. Elektroni ja ioni jakavat silloin yhteisen kvanttitilan."

Mitä tämä voisi tarkoittaa

Jos tämä toimii — ja toistaiseksi laitetta vielä rakennetaan ja testataan — se voisi mullistaa herkkien biologisten materiaalien tutkimuksen. Valkuaisaineita, solurakenteita ja muita hauraita näytteitä voitaisiin mahdollisesti kuvata huomattavasti pienemmällä määrällä elektronipommituksia, mikä vähentäisi vaurioita mutta tuottaisi silti selkeitä, hyödyllisiä kuvia.

Ryhmä on osoittanut matemaattisesti, että lähestymistapa pitäisi toimia. He ovat todistaneet, että kvanttifysiikka mahdollistaa sen, että pystymme ylittämään tilastolliset rajat, jotka rajoittavat perinteisiä elektronimikroskooppeja. Nyt tulee se vaikeampi osuus: rakentaa laite käytännössä ja osoittaa, että se todella toimii.

Ioniloukkuihin perustuva kvanttikone (jonka ovat kehittäneet tutkijat Innsbruckin yliopistosta) ollaan parhaillaan integroimassa elektronimikroskooppiin TU Wienin mikroskopiakeskuksessa. Kyseessä on aito prototyyppi, ei pelkkää teoreettista harjoitusta.

Oma näkemykseni

Pidän tarinoista kuten tämä, koska ne osoittavat, ettei kvanttilaskenta ole vain nopeampien tietokoneiden rakentamista tiettyjen matemaattisten ongelmien ratkaisemiseksi. Joskus kyse on siitä, että kvanttimekaniikka saadaan toimimaan olemassa olevien teknologioiden kanssa nokkelilla uusilla tavoilla.

Elektronimikroskooppi keksittiin lähes vuosisata sitten. Kvanttikone on tuskin kymmenen vuotta vanha käytännön mielessä. Ja nyt jollakulla oli luova idea yhdistää ne. Tiede etenee joskus ei parempien instrumenttien vaan paremman ajattelun kautta siitä, miten olemassa olevia instrumentteja käytetään.

Täytyy odottaa ja katsoa, lunastaako prototyyppi lupauksensa. Mutta jo todisteena konseptista tämä projekti muistuttaa minua siitä, että jännittävimmät läpimurrot tapahtuvat usein eri alojen risteyskohdissa — tässä tapauksessa kvanttifyysiikan, mikroskopian ja tietojenkäsittelytieteen kaikki sotkeutuessaan yhteen.