Tänk dig det här

Du är forskare. Du vill titta på något pyttelite — kanske en enskild proteinmolekyl. Grejen är att dessa strukturer är så små att vanliga ljusmikroskop inte duger. Du behöver något starkare. Så du slår på ett elektronmikroskop.

Men här kommer problemet: ditt prov är ömtåligt. Riktigt ömtåligt. Varje elektron som studsar av från ditt protein är ungefär som att peta på det med en liten hammare. Gör du det för många gånger blir provet förstört innan du ens har fått en bra bild.

Det här är dilemmat som forskare vid TU Wien har funderat på. Och deras lösning? Koppla elektronmikroskopet till en kvantdator.

Varför skulle en kvantdator hjälpa?

Bra fråga. Låt mig försöka förklara utan att somna.

I ett vanligt elektronmikroskop räknar forskarna mest bara elektroner. Elektron träffar provet, studsar av, detekteras — och så bygger du upp en bild bit för bit. Det är som att ta ett väldigt långsamt foto med enskilda fotoner istället för en hel blixt.

Det som är grejen: varje elektron bär på massor av kvantinformation som normalt bara slängs bort. Kvantfysik låter partiklar dela information på sätt som är svåra att begripa — de kan bli "sammanflätade", vilket betyder att det som händer med en partikel omedelbart påverkar den andra, även över avstånd.

Det österrikiska teamet insåg: vad om vi fångade den extra kvantinformationen istället för att låta den försvinna?

Den fiffiga tricket

Idén går ut på att låta elektronerna växelverka med joner — atomer med elektrisk laddning — som hålls fastlåsta längs elektronstrålens väg. När en elektron passerar en sådan jon kan de bli kvantsammanflätade. Elektronen och jonen delar nu ett gemensamt kvanttillstånd, ungefär som om de håller varandra i handen på kvantnivå.

Och här blir det riktigt intressant. Efter att en elektron växelverkat med en jon kan en till elektron komma förbi och göra samma sak. Sedan en till. Och en till. Var och en sammanflätas med kvantdatorns joner.

Genom att utföra specifika kvantdatoroperationer mellan dessa växelverkningar kan systemet kombinera information från flera elektroner på ett sätt som förstärker svaga signaler. Det är nästan som att kvantdatorn "lyssnar" på alla elektroner samtidigt och plockar ut mönster från det som annars bara skulle se ut som slumpmässigt brus.

"Vår idé är att kombinera elektronerna med en kvantdator. Vi låter dem växelverka med joner som hålls fast på plats längs elektronstrålens väg," förklarar Elias Pescoller, doktorand som arbetat med projektet. "Detta kan till exempel skapa kvantsammanflätning mellan elektronen och kvantdatorn. Elektronen och jonen delar då ett gemensamt kvanttillstånd."

Vad det här skulle kunna betyda

Om det här fungerar — och just nu håller det fortfarande på att byggas och testas — skulle det kunna vara en gamechanger för att studera känsliga biologiska material. Proteiner, cellstrukturer och andra ömtåliga prover skulle potentiellt kunna avbildas med betydligt färre elektronpuffar, vilket minskar skadan samtidigt som man fortfarande får tydliga, användbara bilder.

Teamet har matematiskt visat att det här tillvägagångssättet borde fungera. De har bevisat att kvantfysik tillåter oss att övervinna de statistiska begränsningar som begränsar konventionella elektronmikroskop. Nu kommer den svårare delen: faktiskt bygga det och visa att det fungerar i praktiken.

En kvantdator baserad på fångade joner (utvecklad av forskare vid universitetet i Innsbruck) integreras i ett elektronmikroskop vid TU Wiens mikroskopicentrum. Det är en riktig prototyp, inte bara teoretiska övningar.

Min reflektion

Jag älskar historier som den här för att de visar att kvantdatorer inte bara handlar om att bygga snabbare datorer för att lösa vissa matematiska problem. Ibland handlar det om att få kvantmekanik att samverka med befintliga teknologier på smarta nya sätt.

Elektronmikroskopet uppfanns för nästan ett sekel sedan. Kvantdatorn är knappt ett decennium gammal i praktisk mening. Och nu hade någon den kreativa idén att korsa dem ihop. Vetenskapen går ibland framåt inte genom bättre instrument utan genom bättre tänkande kring hur man använder de instrument man redan har.

Vi får vänta och se om prototypen lever upp till löftet. Men även som ett konceptbevis påminner det här projektet mig om att de mest spännande genombrotten ofta sker i skärningspunkten mellan olika fält — i det här fallet kvantfysik, mikroskopi och datavetenskap som alla blir sammanflätade tillsammans.