Österreichische Wissenschaftler entwickeln quantencomputergestütztes Mikroskop zur Verbesserung der Probenanalyse

Wissenschaftler der TU Wien, der Universität Wien, der Johannes Kepler Universität Linz und der Universität Innsbruck haben ein Mikroskop entwickelt, das einen Quantencomputer nutzt, um Informationen aus analysierten Proben zu gewinnen. Die Forscher planen, Quantenverschränkung einzusetzen, um mehr Informationen zu erhalten, als herkömmliche Elektronenmikroskope liefern können. Seit die niederländischen Optikhersteller Hans und Zacharias Janssen im Jahr 1590 mehrere Linsen in einem Rohr anordneten und damit das erste Mikroskop schufen, bauten die deutschen Wissenschaftler Ernst Ruska und Max Knoll das erste Elektronenmikroskop. Diese Geräte arbeiten nach demselben Prinzip, verwenden jedoch unterschiedliche Mittel zur Bilderzeugung.

Bei herkömmlichen Mikroskopen erzeugt Licht, das durch die Linsen fällt, ein vergrößertes Bild winziger Objekte. Obwohl diese Methode für die meisten Objekte auf der Erde geeignet ist, versagt sie bei Objekten, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts.

Ruska und Knoll wandten sich daher der Nutzung von Elektronenstrahlen zu – den kleinsten Teilchen in Atomen –, die Objekte erfassen können, die 100.000-mal kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Elektronenmikroskope finden in zahlreichen Forschungsbereichen Verwendung. „Heute können wir kleinste Details im atomaren Maßstab beobachten", sagt Philipp Haslinger, außerordentlicher Professor am Institut für Atom- und Subatomare Physik der TU Wien. „Allerdings sind dafür viele Elektronen erforderlich, und nicht jede Probe verträgt so viele Elektronen, ohne Schaden zu nehmen. Das wird häufig zum Problem, wenn biologische Proben abgebildet werden, insbesondere einzelne Proteine."

Grenzen des Elektronenmikroskops

Um dieses Problem zu lösen, schlagen die Forscher vor, aus jedem Elektron, das zur Bildgebung verwendet wird, mehr Informationen zu gewinnen – was auch dazu beiträgt, die Gesamtzahl der für die Bilderzeugung benötigten Elektronen zu reduzieren.

Das Forscherteam schlägt vor, dies durch Quantenverschränkung zu erreichen. Dafür soll das Elektronenmikroskop mit einem Quantencomputer auf Basis gefangener Ionen verbunden werden. „Unsere Idee ist es, Elektronen mit einem Quantencomputer zu verknüpfen", erklärt Elias Pescoller, Doktorand am Institut für Theoretische Physik sowie am Institut für Atom- und Subatomare Physik der TU Wien, der an der Arbeit beteiligt ist. „Wir lassen sie mit Ionen wechselwirken, die entlang des Elektronenstrahlpfads fixiert sind." Auf diese Weise können die Elektronen, die das Mikroskop passieren, mit den Ionen im Quantencomputer verschränkt werden, wodurch die Informationen aus den Elektronen über die Quantenverschränkung in den gefangenen Ionen gespeichert werden.

Jedes Elektron, das die Probe durchquert, kann mit dem Quantencomputer verschränkt werden; anschließend werden mittels geeigneter Quantenoperationen Informationen aus den gefangenen Ionen extrahiert. „Wir können die Informationen mehrerer Elektronen optimal kombinieren, um ein Signal mit maximaler Intensität zu erhalten, selbst wenn nur relativ wenige Elektronen verwendet werden", ergänzt Dennis Rätzel, theoretischer Physiker an der TU Wien, in einer Pressemitteilung.

Fortschritte bei der Integration von Quantencomputern

Forscher der Johannes Kepler Universität Linz halfen bei der Entwicklung der Algorithmen, die dieses Ziel ermöglichen sollen. Bisher haben die Forscher die Vorteile dieses Ansatzes nur mathematisch demonstriert. Sie arbeiten nun daran, ein Elektronenmikroskop mit einem Ionenfallen-Quantencomputer zu integrieren, um diese mathematischen Berechnungen experimentell zu überprüfen. Die mathematischen Berechnungen wurden auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht.