在标准系统中，电子主要被计数以构建图像。然而，每个电子还携带通常未被利用的量子信息。维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员与维也纳大学、林茨约翰·开普勒大学（JKU Linz）和因斯布鲁克大学的团队合作，开发了一种新方法，旨在捕获并处理部分额外信息。
他们的想法是将电子显微镜连接到量子计算机。通过这样做，研究人员希望从每个电子中提取更多有用的信息，这可能使科学家能够在用更少的电子照射敏感样品的情况下形成更JianCe的图像。这对于容易受损的生物材料尤其有价值。基于这一概念的量子计算机电子显微镜目前正在维也纳工业大学建造。
利用量子纠缠从每个电子中获取更多信息
现代电子显微镜已经实现了非凡的分辨率。
“如今，我们可以在原子尺度上对微小的细节进行成像，”维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的 Philipp Haslinger 说。“然而，这需要大量的电子。并非每个样品都能在不被损坏的情况下暴露于如此多的电子中。这通常是一个问题，特别是在对生物样品（如单个蛋白质）进行成像时。”
因此，面临的挑战是从每个电子中获取更多信息，以便研究人员能够减少生成图像所需的电子总数。
该团队提议通过将电子与围绕囚禁离子构建的量子计算机连接来实现这一点。
“我们的想法是将电子与量子计算机结合起来。我们让电子与沿电子束路径被固定住的离子发生相互作用，”该论文的第一作者、维也纳工业大学理论物理研究所和原子与亚原子物理研究所的博士生 Elias Pescoller 解释道。“例如，这可以在电子和量子计算机之间产生量子纠缠。随后，电子和离子共享一个联合量子态。”
量子纠缠允许两个量子系统以经典物理学中没有直接对应的方式共享信息。在这种设置中，穿过显微镜的电子可以与量子计算机中的离子发生纠缠，从而允许将关于电子的信息存储在离子中。
将微弱信号转化为有用信息
在一个电子与囚禁离子相互作用后，另一个电子也可以穿过并与量子计算机发生纠缠。通过反复执行精心设计的量子操作，系统可以组合来自多个电子的信息。
“如果我们每次都执行非常特定的量子计算操作，我们就可以最佳地组合来自多个电子的信息，从而即使我们只使用相对较少的电子，也能获得最大强度的信号，”维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的 Dennis Rätzel 说。
执行此处理所需的算法是与林茨约翰·开普勒大学 Johannes Kofler 的团队合作开发的。
基本的成像过程仍然依赖电子，就像在传统电子显微镜中一样。区别在于量子计算机可以处理这些电子携带的、否则会丢失的信息。
“电子本身用于对小物体成像，就像在任何其他电子显微镜中一样。但是，通过在量子计算机中处理这些电子携带的量子信息，我们可以从该过程中提取多得多的信息，”维也纳工业大学理论物理研究所的 Iva Březinová 说。“以前无法与随机噪声区分开来的东西，因此可以变成JianCe的信号。”
这可能使科学家能够恢复那些仅使用普通电子计数无法识别的有用细节。
“量子物理学使我们能够克服限制传统电子显微镜的统计极限，”Elias Pescoller 说。
从数学证明到工作显微镜
到目前为止，研究人员已经在数学上证明了这种新方法应该能提供重要的优势。下一个挑战是通过实验证明这些益处。
在维也纳工业大学的透射电子显微镜大学服务中心（USTEM），研究人员正准备将基于离子的量子计算机集成到电子显微镜中。该量子计算机由因斯布鲁克大学 Philipp Schindler 的团队开发。
如果该系统按预期工作，它可能会开辟一种新的电子显微镜方法，让研究人员在用更少的电子照射敏感样品的同时获得更多信息。
“令人兴奋的是，在 quantA 卓越集群内，我们可以结合奥地利各大学在量子信息、量子计算和电子显微镜方面的专业知识。这使我们能够启动一个独特的项目，”维也纳大学的 Thomas Juffmann 说。
该联盟由维也纳大学协调，其主要资金来源于奥地利科学基金（FWF）通过 quantA 卓越集群提供，以及戈登和贝蒂·摩尔基金会。