Kwantumcomputer moet elektronenmicroscopen veel gevoeliger maken

Een elektronenmicroscoop is het gereedschap bij uitstek om extreem kleine details zichtbaar te maken, tot op het niveau van losse atomen. Maar voor dat scherpe beeld is een flinke hoeveelheid elektronen nodig, en dat is een probleem bij kwetsbare monsters. Biologische structuren, zoals losse eiwitten, kunnen beschadigd raken als er te veel elektronen doorheen worden gejaagd. Onderzoekers van de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) willen dat probleem oplossen met hulp van een kwantumcomputer.

Elektronen als boodschappers

Het team, met collega's van de Universiteit van Wenen, de Johannes Kepler Universiteit Linz en de Universiteit Innsbruck, laat de elektronenbundel van de microscoop interacteren met ionen die vastzitten in een val langs het pad van de bundel. Zulke gevangen ionen worden ook gebruikt als qubits in kwantumcomputers. Door de interactie ontstaat kwantumverstrengeling tussen een elektron en een ion: beide delen dan een gezamenlijke kwantumtoestand. Zodra het volgende elektron langskomt, wordt ook dat verstrengeld met dezelfde ionenval. Zo bouwt de kwantumcomputer stap voor stap informatie op uit een reeks elektronen, in plaats van simpelweg elk elektron los te tellen zoals een gewone microscoop doet.

Meer signaal uit minder elektronen

Door gerichte rekenoperaties op de verstrengelde ionen uit te voeren, kan het systeem de informatie van meerdere elektronen optimaal combineren. Het resultaat is een sterker signaal met minder elektronen dan nodig zou zijn bij klassieke telmethodes. Onderzoeker Iva Březinová van het Institute for Theoretical Physics zegt dat wat voorheen niet te onderscheiden was van ruis, hierdoor een helder signaal kan worden. De benodigde rekenmethodes zijn ontwikkeld in samenwerking met het team van Johannes Kofler in Linz. Volgens eerste auteur Elias Pescoller overstijgt deze aanpak fundamenteel wat mogelijk is met klassieke natuurkunde: de statistische grenzen van gewoon elektronen tellen worden doorbroken dankzij kwantumeffecten.

Van rekenmodel naar experiment

Tot nu toe is het voordeel van de methode wiskundig aangetoond. De volgende stap is de bouw van een werkend prototype. Bij het University Service Center for Transmission Electron Microscopy (USTEM) van TU Wien wordt een op ionen gebaseerde kwantumcomputer ingebouwd in een elektronenmicroscoop. Die kwantumcomputer is ontwikkeld door de groep van Philipp Schindler in Innsbruck. Het project loopt binnen het Oostenrijkse onderzoeksprogramma quantA Cluster of Excellence, waarin kennis over kwantuminformatie, kwantumcomputing en elektronenmicroscopie van verschillende Oostenrijkse universiteiten wordt samengebracht. De studie is geaccepteerd voor publicatie in Physical Review Letters en al te lezen via de preprintserver arXiv.

Als de experimentele opstelling werkt, kan dat vooral onderzoek naar gevoelige biologische monsters vooruithelpen. Minder elektronen betekent minder stralingsschade, waardoor bijvoorbeeld individuele eiwitten scherper en met minder risico op vervorming in beeld gebracht kunnen worden.