Oostenrijkse natuurkundigen koppelen kwantumcomputer aan elektronenmicroscoop

Een elektronenmicroscoop is het krachtigste type microscoop dat we kennen. In plaats van licht gebruikt het elektronen om objecten af te beelden, waardoor het structuren kan tonen die duizenden keren kleiner zijn dan wat een lichtmicroscoop kan zien. Zo brengen wetenschappers al atomen in beeld. Toch loopt deze techniek tegen een grens aan: voor een scherp beeld zijn enorm veel elektronen nodig. Voor stevige materialen is dat geen probleem, maar kwetsbare biologische monsters, zoals een los eiwitmolecuul, raken beschadigd of zelfs vernietigd door die elektronenregen.

Verborgen informatie in elk elektron

Een onderzoeksteam van de TU Wien, de Universiteit van Wenen, de JKU Linz en de Universiteit van Innsbruck denkt een deel van dat probleem te kunnen oplossen. Hun uitgangspunt: een elektronenmicroscoop gebruikt elektronen vooral om ze simpelweg te tellen. Maar elk elektron draagt ook subtielere kwantuminformatie met zich mee, die in een gewoon apparaat gewoon verloren gaat. "We kunnen tegenwoordig details op atomaire schaal in beeld brengen", zegt onderzoeker Philipp Haslinger van de TU Wien. "Maar dat vraagt om grote aantallen elektronen, en niet elk monster kan dat aan zonder schade op te lopen."

Om die extra informatie te benutten, koppelt het team de elektronenmicroscoop aan een kwantumcomputer die is opgebouwd uit ingevangen ionen: een ionenval houdt geladen atomen op hun plek langs het pad van de elektronenbundel. Als een elektron voorbij zo'n ion vliegt, kunnen de twee deeltjes op kwantumniveau met elkaar gaan communiceren. "We laten ze interageren met ionen die we vasthouden op het pad van de elektronenbundel", legt promovendus Elias Pescoller uit, eerste auteur van de onderliggende publicatie. "Zo ontstaat er kwantumverstrengeling tussen het elektron en de kwantumcomputer. Ze delen dan een gemeenschappelijke kwantumtoestand."

Van ruis naar bruikbaar signaal

Na dat eerste elektron kan een volgend elektron dezelfde interactie aangaan, en nog een, en nog een. Door telkens specifieke kwantumbewerkingen uit te voeren, combineert de kwantumcomputer de informatie van meerdere elektronen tot één sterk signaal. "Als we steeds heel specifieke bewerkingen uitvoeren, kunnen we de informatie van meerdere elektronen optimaal samenvoegen, zodat we een maximaal sterk signaal krijgen met relatief weinig elektronen", aldus onderzoeker Dennis Rätzel. Volgens collega Iva Březinová kan wat voorheen niet te onderscheiden was van ruis, zo een bruikbaar signaal worden. Voor de biologie kan dit veel betekenen: minder elektronen betekent minder schade aan een monster, en dus meer kans om fragiele eiwitten scherp in beeld te brengen zonder ze te vernietigen.

Van rekensom naar werkend apparaat

Tot nu toe hebben de onderzoekers hun aanpak alleen wiskundig doorgerekend. De volgende stap is een werkend apparaat. Bij het elektronenmicroscopiecentrum USTEM van de TU Wien wordt nu een op ionenvallen gebaseerde kwantumcomputer, ontwikkeld door het team van Philipp Schindler in Innsbruck, ingebouwd in een elektronenmicroscoop. De rekenkundige algoritmes kwamen tot stand met het team van Johannes Kofler in Linz. Het project loopt binnen het Oostenrijkse onderzoeksprogramma quantA en wordt gefinancierd door de Oostenrijkse wetenschapsstichting FWF en de Amerikaanse Gordon and Betty Moore Foundation.