Όταν ο Κβαντικός Υπολογιστής Συναντά το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο

Φαντάσου ότι είσαι επιστήμονας και θέλεις να δεις ένα μόνο μόριο πρωτεΐνης. Είναι τόσο μικροσκοπικό που τα κοινά μικροσκόπια δεν μπορούν να σε βοηθήσουν. Χρειάζεσαι κάτι δυνατότερο — ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.

Αλλά εδώ υπάρχει πρόβλημα. Το δείγμα σου είναι ευαίσθητο. Κάθε ηλεκτρόνιο που χτυπάει την πρωτεΐνη είναι σαν να την τρυπάς με ένα μικροσκοπικό σφυρί. Πολλά χτυπήματα και το δείγμα καταστρέφεται πριν καν προλάβεις να πάρεις καλή εικόνα.

Αυτό ακριβώς προσπαθούν να λύσουν ερευνητές στο TU Wien της Αυστρίας. Και η ιδέα τους; Να συνδέσουν το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με έναν κβαντικό υπολογιστή.

Γιατί να βοηθήσει ένας κβαντικός υπολογιστής;

Καλή ερώτηση. Θα προσπαθήσω να στο εξηγήσω απλά.

Σε ένα συνηθισμένο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, οι επιστήμονες απλά μετρούν ηλεκτρόνια. Κάθε ηλεκτρόνιο χτυπάει το δείγμα, αναπηδάει, εντοπίζεται, και έτσι χτίζεται η εικόνα βήμα βήμα. Είναι σαν να φωτογραφίζεις με φωτόνια αντί για φλας.

Το θέμα είναι ότι κάθε ηλεκτρόνιο κουβαλάει πολλές πληροφορίες που κανονικά πετιούνται. Η κβαντική φυσική επιτρέπει σε σωματίδια να μοιράζονται πληροφορίες με τρόπους δύσκολο να τους συλλάβεις — μπορούν να γίνουν «διαπλεγμένα», δηλαδή ό,τι συμβαίνει στο ένα επηρεάζει αμέσως το άλλο, ακόμα κι αν είναι μακριά.

Η ομάδα της Αυστρίας σκέφτηκε: τι γίνεται αν πιάσουμε αυτές τις επιπλέον κβαντικές πληροφορίες αντί να τις αφήσουμε να χαθούν;

Το έξυπνο κόλπο

Η ιδέα είναι να αφήσουν τα ηλεκτρόνια να αλληλεπιδράσουν με ιόντα — άτομα με ηλεκτρικό φορτίο — που είναι παγιδευμένα στη διαδρομή της δέσμης ηλεκτρονίων. Όταν περνάει ένα ηλεκτρόνιο κοντά σε ένα τέτοιο ιόν, μπορούν να γίνουν κβαντικά διαπλεγμένα. Το ηλεκτρόνιο και το ιόν μοιράζονται τώρα μια κοινή κβαντική κατάσταση, σαν να κρατιούνται χέρι χέρι σε κβαντικό επίπεδο.

Εδώ γίνεται το ενδιαφέρον. Αφού ένα ηλεκτρόνιο αλληλεπιδράσει με ένα ιόν, έρχεται ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο και κάνει το ίδιο. Μετά ένα τρίτο. Ένα τέταρτο. Κάθε ηλεκτρόνιο διαπλέκεται με τα ιόντα του κβαντικού υπολογιστή.

Κάνοντας συγκεκριμένες κβαντικές πράξεις ανάμεσα σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις, το σύστημα μπορεί να συνδυάσει πληροφορίες από πολλά ηλεκτρόνια και να κάνει τα αδύναμα σήματα πολύ πιο δυνατά. Είναι σαν ο κβαντικός υπολογιστής να «ακούει» όλα τα ηλεκτρόνια μαζί και να αποσπά μοτίβα μέσα από αυτό που κανονικά θα έμοιαζε τυχαίος θόρυβος.

«Η ιδέα μας είναι να συνδυάσουμε τα ηλεκτρόνια με έναν κβαντικό υπολογιστή. Τα αφήνουμε να αλληλεπιδράσουν με ιόντα που κρατιούνται στη διαδρομή της δέσμης ηλεκτρονίων», εξηγεί ο Elias Pescoller, διδακτορικός φοιτητής που δούλεψε στο έργο. «Αυτό μπορεί, για παράδειγμα, να δημιουργήσει κβαντική διαπλοκή ανάμεσα στο ηλεκτρόνιο και τον κβαντικό υπολογιστή. Το ηλεκτρόνιο και το ιόν μοιράζονται τότε μια κοινή κβαντική κατάσταση.»

Τι σημαίνει αυτό

Αν λειτουργήσει — και τώρα ακόμα κατασκευάζεται και δοκιμάζεται — θα μπορούσε να αλλάξει τα πάντα στη μελέτη ευαίσθητων βιολογικών υλικών. Πρωτεΐνες, κυτταρικές δομές και άλλα εύθραυστα δείγματα θα μπορούσαν να απεικονιστούν με πολύ λιγότερα ηλεκτρονικά «χτυπήματα», μειώνοντας τη ζημιά αλλά έχοντας παρ' όλα αυτά καθαρές, χρήσιμες εικόνες.

Η ομάδα έχει αποδείξει μαθηματικά ότι η προσέγγιση πρέπει να δουλέψει. Έχουν δείξει ότι η κβαντική φυσική μας επιτρέπει να ξεπεράσουμε τα στατιστικά όρια που περιορίζουν τα συμβατικά ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Τώρα έρχεται το δύσκολο: να το φτιάξουν πραγματικά και να αποδείξουν ότι δουλεύει στην πράξη.

Ένας κβαντικός υπολογιστής βασισμένος σε παγιδευμένα ιόντα — που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Innsbruck — ενσωματώνεται σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στο κέντρο μικροσκοπίας του TU Wien. Είναι γνήσιο πρωτότυπο, όχι απλή θεωρία.

Η γνώμη μου

Λατρεύω τέτοιες ιστορίες γιατί δείχνουν ότι ο κβαντικός υπολογισμός δεν αφορά μόνο γρηγορότερους υπολογιστές για συγκεκριμένα μαθηματικά προβλήματα. Μερικές φορές πρόκειται για το πώς αξιοποιούμε έξυπνα την κβαντική μηχανική μαζί με υπάρχουσες τεχνολογίες.

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εφευρέθηκε σχεδόν πριν έναν αιώνα. Ο κβαντικός υπολογιστής είναι μόλις λίγων ετών στην πράξη. Και κάποιος είχε τη δημιουργική ιδέα να τα συνδυάσει. Η επιστήμη προχωράει μερικές φορές όχι με καλύτερα όργανα αλλά με καλύτερη σκέψη για το πώς χρησιμοποιούμε αυτά που ήδη έχουμε.

Θα περιμένουμε να δούμε αν το πρωτότυπο ανταποκριθεί στις υποσχέσεις του. Αλλά και σαν απόδειξη концепции, αυτό το έργο μου θυμίζει ότι οι πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις συμβαίνουν στη διασταύρωση διαφορετικών πεδίων — σε αυτή την περίπτωση, κβαντική φυσική, μικροσκοπία και επιστήμη υπολογιστών μπλέκονται μαζί.