นักวิทยาศาสตร์ออสเตรียพัฒนากล้องจุลทรรศน์ที่ขับเคลื่อนด้วยคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อยกระดับการวิเคราะห์ตัวอย่าง

นักวิทยาศาสตร์จาก Vienna University of Technology, University of Vienna, Johannes Kepler University Linz และ University of Innsbruck ในออสเตรีย ร่วมมือกันพัฒนากล้องจุลทรรศน์ที่ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมในการดึงข้อมูลจากตัวอย่างที่กำลังวิเคราะห์ ทีมวิจัยวางแผนที่จะใช้เทคนิคการพัวพันควอนตัม (quantum entanglement) เพื่อให้ได้ข้อมูลมากกว่าที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบดั้งเดิมจะให้ได้ นับตั้งแต่ปี 1590 ที่ช่างทำเลนส์ชาวดัตช์ Hans และ Zacharias Janssen นำเลนส์หลายชิ้นมาวางในท่อเดียวกันจนเกิดเป็นกล้องจุลทรรศน์เครื่องแรก นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Ernst Ruska และ Max Knoll ก็สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเครื่องแรกขึ้น อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานตามหลักการเดียวกัน แต่ใช้วัสดุต่างกันในการสร้างภาพ

ในกล้องจุลทรรศน์แบบดั้งเดิม แสงจะผ่านเลนส์เพื่อสร้างภาพขยายของวัตถุขนาดเล็ก แม้วิธีนี้จะใช้ได้กับวัตถุส่วนใหญ่บนโลก แต่ก็ไม่สามารถสังเกตวัตถุที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Ruska และ Knoll จึงหันมาใช้ลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดในอะตอม สามารถสังเกตวัตถุที่เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงถึง 100,000 เท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลายสาขาการวิจัย "ทุกวันนี้ เราสามารถสังเกตรายละเอียดเล็กๆ ในระดับอะตอมได้" Philipp Haslinger รองศาสตราจารย์จาก Institute of Atomic and Subatomic Physics ที่ Vienna University of Technology กล่าว "อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ต้องใช้อิเล็กตรอนจำนวนมาก และไม่ใช่ทุกตัวอย่างจะทนต่ออิเล็กตรอนจำนวนมากขนาดนั้นโดยไม่เสียหาย ปัญหานี้พบบ่อยเมื่อต้องถ่ายภาพตัวอย่างทางชีววิทยา โดยเฉพาะโปรตีนแต่ละโมเลกุล"

ข้อจำกัดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยเสนอให้ดึงข้อมูลเพิ่มเติมจากอิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ใช้ในการสร้างภาพ ซึ่งจะช่วยลดจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดที่จำเป็นต่อการสร้างภาพด้วย

คณะวิจัยเสนอให้ใช้การพัวพันควอนตัมเพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ ซึ่งจะต้องเชื่อมต่อกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเข้ากับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้ไอออนกักขัง (trapped ions) "แนวคิดของเราคือการนำอิเล็กตรอนมารวมกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม" Elias Pescoller นักศึกษาปริญญาเอกจาก Institute of Theoretical Physics และ Institute of Atomic and Subatomic Physics ที่ Vienna University of Technology ซึ่งมีส่วนร่วมในงานนี้ อธิบาย "เราทำให้มันโต้ตอบกับไอออนที่ตรึงอยู่ตามแนวลำแสงอิเล็กตรอน" การทำเช่นนี้จะทำให้อิเล็กตรอนที่ผ่านกล้องจุลทรรศน์เกิดการพัวพันกับไอออนในคอมพิวเตอร์ควอนตัม และเก็บข้อมูลจากอิเล็กตรอนไว้ในไอออนที่ถูกกักขังผ่านการพัวพันควอนตัม

อิเล็กตรอนแต่ละตัวที่ผ่านตัวอย่างสามารถพัวพันกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม จากนั้นใช้การดำเนินการควอนตัมที่เหมาะสมเพื่อดึงข้อมูลจากไอออนที่ถูกกักขัง "เราสามารถผสมผสานข้อมูลจากหลายอิเล็กตรอนได้อย่างเหมาะสมที่สุด เพื่อให้ได้สัญญาณที่มีความเข้มสูงสุดแม้จะใช้อิเล็กตรอนค่อนข้างน้อยก็ตาม" Denis Rätzel นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก Vienna University of Technology เสริมในข่าวประชาสัมพันธ์

ความคืบหน้าในการบูรณาการคอมพิวเตอร์ควอนตัม

นักวิจัยจาก Johannes Kepler University Linz ช่วยพัฒนาอัลกอริทึมเพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ จนถึงขณะนี้ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นเพียงทางคณิตศาสตร์ว่าวิธีนี้ให้ข้อได้เปรียบหลายประการ ขณะนี้พวกเขากำลังทำงานเพื่อบูรณาการกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเข้ากับคอมพิวเตอร์ควอนตัมแบบไอออนกักขัง เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการคำนวณทางคณิตศาสตร์เหล่านี้ด้วยการทดลอง ผลการคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้รับการเผยแพร่บนเซิร์ฟเวอร์พรีพรินต์ arXiv