オーストリアのウィーン工科大学、ウィーン大学、リンツ大学、インスブルック大学の科学者たちが共同で、量子コンピュータを利用して分析サンプルの情報を抽出する顕微鏡を開発しました。研究者たちは量子もつれ技術を利用して、従来の電子顕微鏡が提供できる以上の情報を取得することを計画しています。1590年、オランダの光学メーカーであるハンスとザカリアス・ヤンセンが複数のレンズを一つの管に配置して最初の顕微鏡を創造して以来、ドイツの科学者エルンスト・ルスカとマックス・ノールも最初の電子顕微鏡を製造しました。これらの装置は同じ原理で動作しますが、画像を生成する際に使用される材料は異なります。
従来の顕微鏡では、光がレンズを通過して微小物体の拡大画像を生成します。この方法は地球上のほとんどの物体に適していますが、光の波長よりも小さい物体を効果的に観察することはできません。
量子顕微鏡技術が電子顕微鏡の応用を変える
ルスカとノールは、電子ビームを使用することに転換しました。これは原子中で最も小さな粒子であり、光の波長よりも100,000倍小さい物体を観察することができます。電子顕微鏡は多くの研究分野で広く使用されています。「今日、私たちは原子スケールで微細な詳細を観察することができます」とウィーン工科大学の原子および亜原子物理学研究所の准教授フィリップ・ハスリンガーは述べています。「しかし、これは大量の電子を必要とし、すべてのサンプルがそのような多くの電子に耐えられるわけではありません。これは生物サンプル、特に単一のタンパク質のイメージング時に特に問題となります。」
この問題を解決するために、研究者たちはイメージングに使用される各電子からより多くの情報を抽出することを提案しており、これにより画像を生成するために必要な電子の総数を減らすことができます。
研究チームは、この目標を達成するために量子もつれを利用することを提案しています。これには、電子顕微鏡を捕獲イオンを使用する量子コンピュータに接続する必要があります。「私たちのアイデアは、電子を量子コンピュータと組み合わせることです」と、このプロジェクトに参加しているウィーン工科大学の理論物理学研究所および原子および亜原子物理学研究所の博士課程の学生イライアス・ペスコレは説明します。「私たちは、それらを電子ビームの経路に固定されたイオンと相互作用させます。」これにより、顕微鏡を通過する電子が量子コンピュータ内のイオンとエンタングルし、量子もつれを通じて電子の情報を捕獲されたイオンに保存することができます。
サンプルを通過する各電子は量子コンピュータとエンタングルし、その後、適切な量子操作を利用して捕獲されたイオンから情報を抽出できます。「私たちは、複数の電子の情報を最適に組み合わせることができるため、比較的少数の電子を使用しても最大強度の信号を得ることができます」とウィーン工科大学の理論物理学者デニス・ラッツァーはプレスリリースで補足しました。
リンツ大学の研究者たちは、この目標を達成するためのアルゴリズムの開発を支援しました。これまでのところ、研究者たちはこの方法が提供する多くの利点を数学的に示しています。彼らは現在、電子顕微鏡と捕獲イオン量子コンピュータの統合に取り組んでおり、これらの数学的計算の正確性を実験的に検証しています。数学的計算はプレプリントサーバーarXivに共有されています。
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