Waarom je een elektronenmicroscoop beter niet alleen laat

Stel je dit even voor.

Je bent onderzoeker en je wilt iets obscuur klein bekijken — zeg maar een eiwitmolecuul. Gewone lichtmicroscopen? Die redden het niet. Daarvoor heb je een elektronenmicoscoop nodig.

Maar hier komt het: je monster is breekbaar. Heel breekbaar. Elk elektron dat van je eiwit afkaatst, is eigenlijk een minuscuul hamertje dat erop mept. Te vaak meppen en je monster is vernield voordat je ook maar een fatsoenlijke foto hebt.

Dit is precies het probleem waar onderzoekers van de TU Wien over hebben nagedacht. En hun oplossing? Hang een kwantumcomputer aan die elektronenmicroscoop.

Waarom zou dat helpen?

Goede vraag. Laat me proberen dat uit te leggen zonder je in slaap te krijgen.

Bij een gewone elektronenmicroscoop tellen wetenschappers vooral elektronen. Elektron komt aan, kaatst af, wordt gedetecteerd, en zo bouw je stap voor stap een beeld op. Het is alsof je een foto neemt met losse lichtdeeltjes in plaats van een flits.

Maar hier is het ding: elk elektron draagt allerlei kwantuminformatie mee die normaal gewoon wordt weggegooid. Kwantumfysica laat deeltjes informatie delen op manieren die best lastig te bevatten zijn — ze kunnen "verstrengeld" raken, wat betekent dat wat er met het ene gebeurt meteen het andere beïnvloedt, zelfs over afstanden.

Het Oostenrijkse team dacht: wat als we die extra kwantuminformatie nou eens oppikken in plaats van te laten verdwijnen?

De slimme truuk

Hun idee: laat elektronen botsen met ionen — atomen met een elektrische lading — die gevangen zitten langs de baan van de elektronenbundel. Wanneer een elektron langs zo'n ion scheert, kunnen ze kwantumverstrengeld raken. Het elektron en het ion delen nu een gezamenlijke kwantumtoestand, een beetje alsof ze op kwantumniveau hand in hand gaan.

En nu wordt het echt interessant. Nadat één elektron met een ion heeft gewisselwerkt, kan een volgend elektron langskomen en hetzelfde doen. En nog een. En nog een. Elk elektron verstrengelt met de ionen van de kwantumcomputer.

Door specifieke kwantumcomputer-bewerkingen uit te voeren tussen deze interacties, kan het systeem informatie van meerdere elektronen combineren op een manier die zwakke signalen een stuk sterker maakt. Het is bijna alsof de kwantumcomputer naar alle elektronen tegelijk "luistert" en patronen filtert uit wat anders gewoon ruis zou zijn.

"Ons idee is om de elektronen te combineren met een kwantumcomputer. We laten ze interageren met ionen die op hun plek worden gehouden langs de weg van de elektronenbundel," legt Elias Pescoller uit, een promovendus die aan het project werkte. "Dit kan bijvoorbeeld kwantumverstrengeling creëren tussen het elektron en de kwantumcomputer. Het elektron en het ion delen dan een gezamenlijke kwantumtoestand."

Wat dit kan betekenen

Als dit werkt — en momenteel wordt het nog gebouwd en getest — zou het een doorbraak kunnen zijn voor het bestuderen van gevoelige biologische materialen. Eiwitten, celstructuren en andere delicate monsters zouden mogelijk afgebeeld kunnen worden met veel minder elektronische "geprik", waardoor schade afneemt terwijl je toch heldere, bruikbare beelden krijgt.

Het team heeft wiskundig aangetoond dat deze aanpak zou moeten werken. Ze hebben bewezen dat kwantumfysica ons in staat stelt de statistische grenzen te overwinnen die conventionele elektronenmicroscopen beperken. Nu komt het moeilijke deel: het daadwerkelijk bouwen en laten werken in de praktijk.

Een kwantumcomputer gebaseerd op gevangen ionen (ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck) wordt geïntegreerd in een elektronenmicroscoop bij het microscopiecentrum van TU Wien. Het is een echt prototype, geen theoretische oefening.

Mijn gedachte

Ik hou van verhalen zoals dit omdat ze laten zien dat kwantumcomputing niet alleen gaat om snellere computers voor bepaalde wiskundeproblemen. Soms gaat het om kwantummechanica die slimmer samenwerkt met bestaande technologieën.

De elektronenmicroscoop werd bijna een eeuw geleden uitgevonden. De kwantumcomputer is praktisch nog maar een decennium oud. En nu had iemand het creatieve idee om ze samen te smelten. Wetenschap gaat soms niet vooruit door betere instrumenten, maar door beter denken over hoe we de instrumenten die we al hebben kunnen gebruiken.

We moeten afwachten of het prototype zijn beloftes waarmaakt. Maar zelfs als proof of concept herinnert dit project me eraan dat de spannendste doorbraken vaak plaatsvinden op het snijvlak van verschillende vakgebieden — in dit geval kwantumfysica, microscopie en informatica die allemaal met elkaar verstrengeld raken.