- 科學家開發量子計算機驅動的顯微鏡以提升樣本分析能力。
- 量子糾纏技術可獲取比傳統顯微鏡更多資訊。
- 電子顯微鏡在觀察微小物體方面存在限制，尤其是生物樣本。
- 研究人員正在整合電子顯微鏡與量子計算機以驗證其方法。
奧地利維也納工業大學、維也納大學、林茨大學及因斯布魯克大學的科學家聯手開發一款顯微鏡，利用量子計算機提取正在分析樣本的資訊。研究人員計劃利用量子糾纏技術，獲取比傳統電子顯微鏡能提供的更多資訊。自從 1590 年荷蘭光學製造商漢斯和扎卡里亞斯·詹森將多個透鏡置於一個管道內，創造出第一台顯微鏡以來，德國科學家恩斯特·魯斯卡和馬克斯·諾爾亦製造出首台電子顯微鏡。這些設備的工作原理相同，但在創建圖像時所使用的材料有所不同。
在傳統顯微鏡中，光通過鏡頭產生微小物體的放大圖像。雖然這種方法適用於地球上大多數物體，但對於那些小於光波長的物體則無法有效觀察。
魯斯卡和諾爾因此轉向使用電子束，這是原子中最小的粒子，可以觀察比光波長小 100,000 倍的物體。電子顯微鏡在多個研究領域中廣泛應用。「如今，我們可以在原子尺度上觀察微小細節，」維也納工業大學原子與亞原子物理研究所副教授菲利浦·哈斯林格表示。「然而，這需要大量電子，而並非每個樣本都能承受如此多的電子而不受損壞。這在成像生物樣本時，尤其是單個蛋白質時，經常會成為問題。」
電子顯微鏡的局限性
為瞭解決這一問題，研究人員建議從每個用於成像的電子中提取更多資訊，這也有助於減少製作圖像所需的電子總數。
研究小組建議利用量子糾纏來實現此目標。這將需要將電子顯微鏡連接到使用捕獲離子的量子計算機。「我們的想法是將電子與量子計算機結合，」參與該項工作的維也納工業大學理論物理研究所及原子與亞原子物理研究所的博士生伊萊亞斯·佩斯科勒解釋道。「我們讓它們與沿著電子束路徑固定的離子互動。」這樣做可以使通過顯微鏡的電子與量子計算機中的離子產生糾纏，並通過量子糾纏將電子中的資訊存儲在捕獲的離子中。
每個通過樣本的電子都可以與量子計算機糾纏，然後利用適當的量子操作從捕獲的離子中提取資訊。「我們可以最佳地結合多個電子的資訊，以便即使只使用相對較少的電子也能獲得最大強度的信號，」維也納工業大學的理論物理學家丹尼斯·拉特策在新聞稿中補充道。
整合量子計算機的進展
林茨大學的研究人員幫助開發實現此目標的算法。迄今為止，研究人員僅在數學上展示了這種方法提供多項優勢。他們現在正在致力於將電子顯微鏡與捕獲離子量子計算機整合，以實驗驗證這些數學計算的正確性。數學計算已在預印本伺服器 arXiv 上分享。
項目 規格 處理器 量子計算機 技術 量子糾纏
量子技術如何改變顯微鏡應用
量子計算機的引入為顯微鏡技術帶來了新的可能性，尤其是在分析微小生物樣本時。傳統電子顯微鏡雖然能觀察到原子尺度的細節，但對樣本的損傷風險使得其應用受到限制。透過量子糾纏技術，研究人員希望能減少所需的電子數量，同時提升所獲取資訊的質量。這不僅能改善現有的顯微鏡技術，還可能推動生物醫學和材料科學等領域的研究進展，顯示出量子技術在實驗科學中的潛力。