Bilim insanları bir elektron mikroskobunu kuantum bilgisayarıyla birleştirerek her elektrondan çok daha fazla bilgi sıkıştırmayı hedefliyor. Yaklaşım, zayıf ayrıntıları daha az elektronla ortaya çıkarabilir ve geleneksel mikroskopinin zarar verebileceği kırılgan örnekleri korumaya yardımcı olabilir.
Elektron mikroskopları, sıradan ışıkla görülebilenin çok daha küçük yapıları ortaya çıkarabiliyor. Ancak Avusturya'daki araştırmacılar, geleneksel elektron mikroskoplarının değerli bilgileri göz ardı ettiğini söylüyor.
Standart bir sistemde elektronlar esas olarak görüntü oluşturmak için sayılıyor. Oysa her elektron normalde kullanılmayan kuantum bilgisi de taşıyor. TU Wien'deki araştırmacılar, Viyana Üniversitesi, JKU Linz ve Innsbruck Üniversitesi'nden ekiplerle birlikte bu ek bilginin bir kısmını yakalamak ve işlemek üzere tasarlanmış yeni bir yaklaşım geliştirdi.
Fikirleri elektron mikroskobunu bir kuantum bilgisayarına bağlamak. Böylece araştırmacılar her elektrondan daha kullanışlı bilgi çıkarmayı umuyor, bu da bilim insanlarının daha net görüntüler oluşturmasını sağlarken hassas örnekleri daha az elektrona maruz bırakabilir. Bu durum özellikle kolay zarar gören biyolojik materyaller için değerli olabilir. Kavram üzerine kurulu kuantum bilgisayarlı bir elektron mikroskobu şu anda TU Wien'de inşa ediliyor.
Her Elektronun Daha Fazlasını Almak İçin Kuantum Dolaşıklığını Kullanmak
Modern elektron mikroskopları zaten olağanüstü çözünürlük sağlıyor.
“Bugün atomik ölçekte minik ayrıntıları görüntüleyebiliyoruz” diyor TU Wien Atomik ve Alt Atomik Fizik Enstitüsü'nden Philipp Haslinger. “Ancak bunun için çok sayıda elektrona ihtiyaç var. Ve her örnek bu kadar çok elektrona maruz bırakılamaz; zarar görmeden kalamaz. Bu durum özellikle tek tek proteinler gibi biyolojik örneklerin görüntülenmesinde sık sık sorun oluyor.”
O zaman ortaya çıkan zorluk, görüntü oluşturmak için gereken toplam elektron sayısını azaltabilmek adına her elektrondan daha fazla şey öğrenmek.
Takım bunu, tuzaklanmış iyonlar etrafında kurulu bir kuantum bilgisayarına elektronları bağlayarak yapmayı öneriyor.
“Fikrimiz elektronları bir kuantum bilgisayarıyla birleştirmek. Elektron demeti yolunda sabit tutulan iyonlarla etkileşime girmelerine izin veriyoruz” diye açıklıyor yayın ilk yazarı ve TU Wien'de Teorik Fizik Enstitüsü ile Atomik ve Alt Atomik Fizik Enstitüsü'nde doktora öğrencisi Elias Pescoller. “Bu, örneğin elektron ile kuantum bilgisayarı arasında kuantum dolaşıklığı yaratabilir. Elektron ve iyon böylece ortak bir kuantum durumu paylaşır.”
Kuantum dolaşıklığı, iki kuantum sisteminin klasik fizikte doğrudan karşılığı olmayan biçimlerde bilgi paylaşmasına olanak tanır. Bu kurulumda mikroskoptan geçen bir elektron, kuantum bilgisayarındaki bir iyonla dolaşık hale gelebilir ve elektron hakkındaki bilgi iyon içinde saklanabilir.
Zayıf Sinyalleri Kullanışlı Bilgiye Dönüştürmek
Tuzaklanmış iyonla bir elektron etkileşime girdikten sonra başka bir elektron geçebilir ve kuantum bilgisayarıyla da dolaşık hale gelebilir. Dikkatle tasarlanmış kuantum işlemleri tekrar tekrar yapılarak sistem, birden fazla elektrondan gelen bilgileri birleştirebilir.
“Her seferinde çok belirli kuantum-bilgisayar işlemleri gerçekleştirirsek, birkaç elektrondan gelen bilgileri en uygun şekilde birleştirebiliriz; böylece nispeten az sayıda elektron kullansak bile maksimum güçte bir sinyal elde ederiz” diyor TU Wien Atomik ve Alt Atomik Fizik Enstitüsü'nden Dennis Rätzel.
Bu işlem için gereken algoritmalar JKU Linz'de Johannes Kofler ekibiyle iş birliği içinde geliştirildi.
Temel görüntüleme süreci hâlâ elektronlara dayanıyor ve geleneksel bir elektron mikroskobunda olduğu gibi çalışıyor. Fark, kuantum bilgisayarının aksi halde kaybolacak olan bu elektronların taşıdığı bilgiyi işleyebilmesi.
“Elektronların kendisi küçük nesneleri görüntülemek için kullanılıyor, diğer her elektron mikroskobunda olduğu gibi. Ancak bu elektronların taşıdığı kuantum bilgisini bir kuantum bilgisayarında işleyerek süreçten önemli ölçüde daha fazla bilgi çıkarabiliyoruz” diyor TU Wien Teorik Fizik Enstitüsü'nden Iva Březinová. “Önceden rastgele gürültüden ayırt edilemeyen şey böylece net bir sinyal haline gelebilir.”
Bu, araştırmacıların sıradan elektron sayımıyla tanımlanamayacak yararlı ayrıntıları geri kazanmasını sağlayabilir.
“Kuantum fiziği, geleneksel elektron mikroskoplarını sınırlayan istatistiksel sınırların üstesinden gitmemize olanak tanır” diyor Elias Pescoller.
Matematiksel İspattan Çalışan Bir Mikroskopa
Şimdiye kadar araştırmacılar yeni yöntemin önemli avantajlar sunması gerektiğini matematiksel olarak gösterdi. Bir sonraki zorluk ise bu faydaları deneysel olarak göstermek.
TU Wien Üniversitesi İletim Elektron Mikroskopisi Hizmet Merkezi'nde (USTEM) araştırmacılar, bir elektron mikroskobuna iyon tabanlı bir kuantum bilgisayarı entegre etmeye hazırlanıyor. Kuantum bilgisayarı Innsbruck Üniversitesi'nde Philipp Schindler ekibi tarafından geliştirildi.
Sistem beklendiği gibi çalışırsa, araştırmacıların daha fazla bilgi elde ederken hassas örnekleri daha az elektrona maruz bıraktığı yeni bir elektron mikroskopisi yaklaşımı açabilir.
“quantA Mükemmeliyet Kümesi içinde Avusturya’daki farklı üniversitelerde bulunan kuantum bilgi, kuantum hesaplama ve elektron mikroskopisi alanındaki uzmanlığı birleştirebilmek gerçekten heyecan verici. Bu sayede eşsiz bir projeyi başlatabiliyoruz” diyor Viyana Üniversitesi'nden Thomas Juffmann.
Konsorsiyumun ana finansmanı, Viyana Üniversitesi tarafından koordine edilen oluşuma Avusturya Bilim Fonu (FWF) aracılığıyla quantA Mükemmeliyet Kümesi ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından sağlanıyor.
