Когато квантовият компютър срещне електронния микроскоп
Представи си следното.
Искаш да видиш нещо много, ама много малко. Да речем, една единствена протеинова молекула. Обикновената светлина не може да ти помогне тук — тя просто не стига до такива мащаби. Затова посягаш към електронен микроскоп.
И тук идва проблемът.
Твоята проба е крехка. Наистина крехка. Всеки електрон, който отскочи от протеина, всъщност го блъска като малко чукче. Пусни твърде много електрони и ще унищожиш всичко, преди да си направил снимка.
Точно върху този проблем са се концентрирали учени от TU Wien — Виенският технологичен университет в Австрия. И решението им? Да свържат електронния микроскоп с квантов компютър.
Защо квантов компютър?
Добър въпрос. Ще се опитам да го обясня просто.
При обикновения електронен микроскоп учените основно броят електрони. Електрон удари пробата, отскочи, детекторът го регистрира, и така малко по малко се сглобява картинката. Бавно сглобяване, точка по точка.
Но ето какво се пропуска: всеки електрон носи допълнителна квантова информация, която обикновено просто се губи. Квантовата физика позволява на частиците да споделят информация по начини, които са трудно осъзнаваеми — те могат да станат "съзаплети", заплетени. Каквото се случи с едната, мигновено засяга другата, дори и да са на голямо разстояние.
Австрийският екип осъзна: ами ако уловим тази допълнителна квантова информация вместо да я изпускаме?
Трикът
Идеята им е следната: електроните взаимодействат с йони — атоми с електрически заряд, — които са задържани на място по пътя на електронния лъч. Когато електрон мине покрай един такъв йон, те могат да се квантово-съзаплетат. Вече споделят общо квантово състояние — сякаш се хващат за ръце на квантово ниво.
Става още по-интересно. След като един електрон си взаимодейства с йон, идва друг електрон и прави същото. После трети. После четвърти. Всеки един се съзаплита с йоните в квантовия компютър.
Като изпълняват определени квантови операции между тези взаимодействия, системата може да комбинира информация от много електрони по начин, който прави слабите сигнали много по-силни. Сякаш квантовият компютър "слуша" всички електрони едновременно и извлича модели от онова, което иначе би изглеждало като случаен шум.
"Идеята ни е да комбинираме електроните с квантов компютър. Те взаимодействат с йони, които са задържани по пътя на електронния лъч", обяснява Елиас Песколер, докторант в екипа. "Това може например да създаде квантово съзаплитане между електрона и квантовия компютър. Двата обекта тогава споделят общо квантово състояние."
Какво означава това?
Ако проработи — а засега се разработва и тества — това може да промени правилата на играта за изучаването на чувствителни биологични материали. Протеини, клетъчни структури, други крехки проби биха могли да се визуализират с много по-малко електронни "бльскания", което означава по-малко увреждания, но ясни и полезни изображения.
Екипът вече е показал математически, че подходът би трябвало да работи. Те са доказали, че квантовата физика позволява да се преодолеят статистическите ограничения, които спират обикновените електронни микроскопи. Сега идва по-трудната част: наистина да го изградят и покажат, че работи на практика.
Квантов компютър на базата на уловени йони (разработен от изследователи в Университета в Инсбрук) се интегрира в електронен микроскоп в центъра за микроскопия на TU Wien. Това е истински прототип, не просто теоретична сметка.
Моето мнение
Обичам такива истории, защото показват, че квантовите компютри не са само за по-бързи машини за решаване на определени математически задачи. Понякога става въпрос за това квантовата механика да работи заедно със съществуващите технологии по умни нови начини.
Електронният микроскоп е измислен преди почти век. Квантовият компютър едва на десетина години е практически осъществим. И ето че някой има креативната идея да ги комбинира. Науката понякога напредва не с по-добри уреди, а с по-добро мислене как да използваме уредите, които вече имаме.
Ще трябва да изчакаме дали прототипът ще оправдае обещанията. Но дори като доказателство на концепцията, този проект ми напомня, че най-вълнуващите пробиви често се случват на пресечката на различни области — в случая квантова физика, микроскопия и компютърни науки се заплитат заедно.