- 科学家开发量子计算机驱动的显微镜以提升样本分析能力。
- 量子纠缠技术可获取比传统显微镜更多信息。
- 电子显微镜在观察微小物体方面存在限制，尤其是生物样本。
- 研究人员正在整合电子显微镜与量子计算机以验证其方法。
奥地利维也纳工业大学、维也纳大学、林茨大学及因斯布鲁克大学的科学家联手开发一款显微镜，利用量子计算机提取正在分析样本的信息。研究人员计划利用量子纠缠技术，获取比传统电子显微镜能提供的更多信息。自 1590 年荷兰光学制造商汉斯和扎卡里亚斯·詹森将多个透镜置于一个管道内，创造出第一台显微镜以来，德国科学家恩斯特·鲁斯卡和马克斯·诺尔也制造出首台电子显微镜。这些设备的工作原理相同，但在创建图像时所使用的材料有所不同。
在传统显微镜中，光通过镜头产生微小物体的放大图像。虽然这种方法适用于地球上大多数物体，但对于那些小于光波长的物体则无法有效观察。
鲁斯卡和诺尔因此转向使用电子束，这是原子中最小的粒子，可以观察比光波长小 100,000 倍的物体。电子显微镜在多个研究领域中广泛应用。“如今，我们可以在原子尺度上观察微小细节，”维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所副教授菲利普·哈斯林格表示。“然而，这需要大量电子，而并非每个样本都能承受如此多的电子而不受损坏。这在成像生物样本时，尤其是单个蛋白质时，经常会成为问题。”
电子显微镜的局限性
为了解决这一问题，研究人员建议从每个用于成像的电子中提取更多信息，这也有助于减少制作图像所需的电子总数。
研究小组建议利用量子纠缠来实现此目标。这将需要将电子显微镜连接到使用捕获离子的量子计算机。“我们的想法是将电子与量子计算机结合，”参与该工作的维也纳工业大学理论物理研究所及原子与亚原子物理研究所的博士生伊莱亚斯·佩斯科勒解释道。“我们让它们与沿着电子束路径固定的离子互动。”这样做可以使通过显微镜的电子与量子计算机中的离子产生纠缠，并通过量子纠缠将电子中的信息存储在捕获的离子中。
每个通过样本的电子都可以与量子计算机纠缠，然后利用适当的量子操作从捕获的离子中提取信息。“我们可以最佳地结合多个电子的信息，以便即使只使用相对较少的电子也能获得最大强度的信号，”维也纳工业大学的理论物理学家丹尼斯·拉特策在新闻稿中补充道。
整合量子计算机的进展
林茨大学的研究人员帮助开发实现此目标的算法。迄今为止，研究人员仅在数学上展示了这种方法提供多项优势。他们现在正在致力于将电子显微镜与捕获离子量子计算机整合，以实验验证这些数学计算的正确性。数学计算已在预印本服务器 arXiv 上分享。
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量子技术如何改变显微镜应用
量子计算机的引入为显微镜技术带来了新的可能性，尤其是在分析微小生物样本时。传统电子显微镜虽然能观察到原子尺度的细节，但对样本的损伤风险使得其应用受到限制。通过量子纠缠技术，研究人员希望能减少所需的电子数量，同时提升所获取信息的质量。这不仅能改善现有的显微镜技术，还可能推动生物医学和材料科学等领域的研究进展，显示出量子技术在实验科学中的潜力。