Kvantumszámítógéppel kiegészített elektronmikroszkópot építenek osztrák kutatók, hogy az érzékeny biológiai minták szerkezete roncsolás nélkül feltárulhasson. A hagyományos elektronmikroszkópok ugyan atomi felbontásra képesek, ám az intenzív elektronbombázás gyakran elpusztítja a vizsgált fehérjéket. A fizikusok megközelítésében minden egyes elhaladó elektron kihasználatlan lehetőséget jelent, ha a rendszer kizárólag a becsapódó részecskék számát regisztrálja.
Az új eljárás lényege, hogy az elektronnyalábot közvetlenül egy kisméretű kvantumszámítógéphez csatolják. Ez a megoldás lehetővé teszi a részecskék által hordozott kiegészítő kvantuminformációk kiaknázását, így nagyságrendekkel kevesebb elektron segítségével is részletgazdag felvétel készíthető. A módszer a zajos mérési adatokat tisztább jellé formálja anélkül, hogy a vizsgált anyagszerkezet elnyelné a káros energiamennyiséget.
Kvantumösszefonódás a minta védelmében
A modern mikroszkópiában az egyre nagyobb felbontás elérése eddig elkerülhetetlenül együtt járt a mintát érő sugárterhelés növekedésével. Egy önálló fehérjemolekula vagy egy kényes polimerelem vizsgálatakor a nagy energiájú elektronok megváltoztathatják az atomi kötéseket, megsemmisítve azt a struktúrát, amelyet feltérképezni kívánunk. A felületi és szerkezeti elemzéseknél tapasztalható dilemmára a kvantummetrológia kínál kiutat.
Philipp Haslinger, a Bécsi Műszaki Egyetem (TU Wien) Atom- és Subatomfizikai Intézetének kutatója rávilágított, hogy az atomi léptékű részletek kirajzolásához eddig hatalmas mennyiségű elektronra volt szükség. Amikor azonban az elektronok kvantumnívójú összefonódását és koherenciáját is mérik, a részecskénként kinyerhető információmennyiség többszörösére nő. Ennek köszönhetően a detektorok még azelőtt képesek pontos képet alkotni a molekuláról, hogy a sugárzás visszafordíthatatlan kárt okozna a szerves molekulaláncokban.
A kutatási projekt a TU Wien, a Bécsi Egyetem, a Linz-i Johannes Kepler Egyetem, valamint az Innsbrucki Egyetem szakembereinek szoros együttműködésében valósult meg. A teoretikus és kísérleti fizikusok összefogása megmutatta, hogy a kvantuminformatika a számítástechnika mellett az analitikai méréstechnikában is gyökeres változásokat idézhet elő.
Bécsben már építik az első prototípust
A teoretikus modellek igazolását követően a fejlesztés a gyakorlati megvalósítás szakaszába lépett: a Bécsi Műszaki Egyetemen már folyamatban van az első olyan működő berendezés összeszerelése, amely a kvantumszámítógépes elektronmikroszkóp elvét alkalmazza. A megépülő műszer a kvantuminformációs protokollok integrálásával a gyakorlatban is teszteli az elméleti számításokat.
Ez a technológiai előrelépés közvetlen hatással lesz a strukturális biológiára és a gyógyszerkutatásra. A betegségek elleni hatóanyagok fejlesztésénél alapvető fontosságú a fehérjék pontos, háromdimenziós alakjának ismerete. Amennyiben a biológiai komplexek természetes, kezeletlen állapotukban vizsgálhatók, az lényegesen gyorsabbá és pontosabbá teheti a célzott terápiák tervezését. A félvezetőiparnak és a nanotechnológiának szintén előnyt jelent a finomszerkezetek roncsolásmentes ellenőrzése.
A kvantuminformatikai alapú méréstechnika így áthidalja a felbontás és az anyagkárosodás közötti korábbi feloldhatatlan ellentmondást. A fizikai elvek újszerű kihasználásával az elektronmikroszkópia nem a részecskék számának emelésével, hanem a meglévő információk mélyebb elemzésével éri el a szükséges tisztaságot.
