オーストリアの科学者、量子コンピューター駆動の顕微鏡を開発し試料分析能力を向上へ

オーストリアのウィーン工科大学、ウィーン大学、ヨハネス・ Kepler 大学リンツ校、インスブルック大学の科学者らが、量子コンピューターを活用して分析中の試料から情報を抽出する顕微鏡を共同で開発した。研究チームは量子もつれ技術を用いることで、従来の電子顕微鏡では得られないより多くの情報を取得することを目指している。1590 年にオランダの光学機器製造業者ハンスとザカリアス・ヤンセンが複数のレンズを 1 本の管に収めて最初の顕微鏡を発明して以来、ドイツの科学者エルンスト・ルスカとマックス・クノールが最初の電子顕微鏡を製作した。これらの装置は基本的な動作原理を共有しているが、画像生成に用いられる素材が異なる。

従来の顕微鏡では、光がレンズを通過することで微小な物体の拡大像が生成される。この手法は地球上ほとんどの物体には有効だが、光の波長より小さい物体を観察することはできない。

そこでルスカとクノールは電子線に着目した。電子は原子を構成する最も小さな粒子であり、光の波長よりも 10 万倍小さい物体を観察できる。電子顕微鏡は多くの研究分野で広く活用されている。「今日では、原子スケールで微細な構造を観察することができます」と、ウィーン工科大学原子・亜原子物理学研究所の准助教フィリップ・ハスリンガーは語る。「しかし、それには大量の電子が必要であり、すべての試料がその量の電子にさらされても損傷しないわけではありません。これは生体試料、特に 1 つのタンパク質を撮像する際によく問題となります」。

電子顕微鏡の限界

この問題に対処するため、研究者らは画像形成に用いる個々の電子からより多くの情報を引き出すことを提案しており、これにより画像生成に必要な電子の総数を減らすこともできる。

研究チームは、この目標の達成に量子もつれを利用することを提案している。そのためには、電子顕微鏡をトラップイオンを用いた量子コンピューターに接続する必要がある。「私たちのアイデアは、電子と量子コンピューターを組み合わせることです」と、この研究に携わるウィーン工科大学理論物理学研究所および原子・亜原子物理学研究所の博士課程学生エリアス・ペスコラーは説明する。「電子を、電子線の経路に沿って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ー内のイオンともつれ合い、量子もつれを通じて電子の情報がトラップイオンに格納される。

試料を通過するそれぞれの電子を量子コンピューターともつれ合わせた後、適切な量子操作によってトラップイオンから情報を抽出できる。「私たちは複数の電子からの情報を最適に統合し、比較的少数の電子しか用いなくても最大の信号強度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ている。

量子コンピューター統合の進展

ヨハネス・ Kepler 大学リンツ校の研究者らは、この目標を実現するためのアルゴリズム開発に貢献した。これまでのところ、研究者らはこの手法が数々の利点をもたらすことを数学的に示すにとどまっている。現在、彼らは電子顕微鏡とトラップイオン量子コンピューターを統合し、これらの数学的計算の正当性を実験的に検証する作業を進めている。数学的計算はプレプリントサーバー arXiv で公開されている。

項目	仕様
プロセッサー	量子コンピューター
技術	量子もつれ

量子技術が顕微鏡応用をどう変えるか

量子コンピューターの導入は顕微鏡技術に新たな可能性をもたらす。特に微小な生体試料の分析においてその効果が期待される。従来の電子顕微鏡は原子スケールの詳細を観察できるものの、試料を損傷するリスクから応用範囲が制限されてきた。量子もつれ技術を用いることで、研究者らは必要な電子数を削減しつつ、取得する情報の質を向上させたいと考えている。これは既存の顕微鏡技術の改善にとどまらず、生物医学や材料科学などさまざまな分野の研究進展を促す可能性があり、実験科学における量子技術の潜在力を示している。