Учёные создают микроскоп на базе квантового компьютера

Электронные микроскопы способны раскрывать структуры, недоступные обычному свету. Однако исследователи из Австрии полагают, что традиционные электронные микроскопы могут оставлять ценную информацию неиспользованной.

В стандартной системе электроны в основном подсчитываются для построения изображения. При этом каждый электрон несёт квантовую информацию, которая обычно остаётся невостребованной. Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) совместно с командами Венского университета, Университета Иоганна Кеплера в Линце и Университета Инсбрука разработали новый подход, позволяющий улавливать и обрабатывать часть этой дополнительной информации.

Их идея — подключить электронный микроскоп к квантовому компьютеру. Таким образом исследователи надеются извлечь больше полезной информации из каждого электрона, что потенциально позволит получать более чёткие изображения, подвергая деликатные образцы воздействию меньшего числа электронов. Это особенно ценно для биологических материалов, которые легко повреждаются. В настоящее время в TU Wien строится электронный микроскоп на основе этой концепции.

Современные электронные микроскопы уже достигают extraordinary разрешения.

«Сегодня мы можем визуализировать мельчайшие детали на атомном уровне, — говорит Филипп Хаслингер из Института атомной и субатомной физики TU Wien. — Однако для этого требуется большое количество электронов. И не каждый образец можно подвергнуть воздействию такого количества электронов без повреждений. Это часто становится проблемой, особенно при визуализации биологических образцов, таких как отдельные белки».

Задача, таким образом, состоит в том, чтобы извлечь больше информации из каждого электрона и тем самым сократить общее количество, необходимое для получения изображения.

Команда предлагает сделать это, связав электроны с квантовым компьютером на основе захваченных ионов.

«Наша идея — объединить электроны с квантовым компьютером. Мы позволяем им взаимодействовать с ионами, удерживаемыми на пути электронного пучка, — объясняет Элиас Песколлер, первый автор публикации и докторант Института теоретической физики и Института атомной и субатомной физики TU Wien. — Это может, например, создать квантовую запутанность между электроном и квантовым компьютером. Электрон и ион тогда разделяют общее квантовое состояние».

Квантовая запутанность позволяет двум квантовым системам обмениваться информацией способами, не имеющими прямого аналога в классической физике. В этой схеме электрон, проходящий через микроскоп, может запутаться с ионом в квантовом компьютере, что позволяет сохранить информацию об электроне в ионе.

После того как один электрон взаимодействует с захваченным ионом, другой электрон может пройти через систему и также запутаться с квантовым компьютером. Путём многократного выполнения тщательно разработанных квантовых операций система может объединять информацию от нескольких электронов.

«Если мы каждый раз выполняем очень специфические квантовые вычисления, мы можем оптимально объединить информацию от нескольких электронов, чтобы получить сигнал максимальной силы, используя при этом относительно небольшое количество электронов», — говорит Деннис Рэтцель из Института атомной и субатомной физики TU Wien.

Алгоритмы, необходимые для этой обработки, были разработаны совместно с командой Йоханнеса Кофлера из Университета Иоганна Кеплера в Линце.

Сам базовый процесс визуализации по-прежнему основан на электронах, как и в обычном электронном микроскопе. Разница в том, что квантовый компьютер может обрабатывать информацию, которую несут эти электроны и которая иначе была бы потеряна.

«Сами электроны используются для визуализации малых объектов, как и в любом другом электронном микроскопе. Но обрабатывая квантовую информацию, переносимую этими электронами, в квантовом компьютере, мы можем извлечь значительно больше информации из процесса, — говорит Ива Бржезинова из Института теоретической физики TU Wien. — То, что раньше было неотличимо от случайного шума, может стать чётким сигналом».

Это может позволить учёным восстановить полезные детали, которые невозможно было бы выявить при обычном подсчёте электронов.

«Квантовая физика позволяет нам преодолеть статистические ограничения, сдерживающие традиционные электронные микроскопы», — говорит Элиас Песколлер.

На данный момент исследователи математически показали, что новый метод должен давать важные преимущества. Следующая задача — продемонстрировать эти преимущества экспериментально.

В Университетском сервисном центре просвечивающей электронной микроскопии (USTEM) TU Wien исследователи готовятся интегрировать ионный квантовый компьютер в электронный микроскоп. Квантовый компьютер был разработан командой Филиппа Шиндлера из Университета Инсбрука.

Если система будет работать как ожидается, она может открыть новый подход к электронной микроскопии, при котором исследователи получают больше информации, подвергая чувствительные образцы воздействию меньшего числа электронов.

«Это действительно захватывающе, что в рамках кластера передового опыта quantA мы можем объединить экспертизу в области квантовой информации, квантовых вычислений и электронной микроскопии, доступную в различных университетах Австрии. Это позволяет нам запустить уникальный проект», — говорит Томас Юффманн из Венского университета.

Основное финансирование консорциума, координируемого Венским университетом, поступает от Австрийского научного фонда (FWF) через кластер передового опыта quantA и от Фонда Гордона и Бетти Мур.

Источники:

Материалы предоставлены Венским университетом.

Elias Pescoller, Santiago Beltrán-Romero, Sebastian Egginger, Nicolas Jungwirth, Martino Zanetti, Dominik Hornof, Michael S. Seifner, Iva Březinová, Philipp Haslinger, Thomas Juffmann, Johannes Kofler, Philipp Schindler, Dennis Rätzel. Coupling free electrons to a trapped-ion quantum computer. arXiv, 16 Jan 2026 DOI: 10.48550/arXiv.2601.11446