Elektronenmikroskope werden überall dort eingesetzt, wo besonders kleine Details sichtbar gemacht werden müssen. Ein internationales Forschungsteam hat nun eine Methode entwickelt, mit der ein Quantencomputer direkt in ein Elektronenmikroskop eingebaut wird – und dadurch deutlich mehr Information aus jedem einzelnen Elektron gewinnt.
Gezielte Quantenverschränkung
Die Auflösung moderner Elektronenmikroskope ist bemerkenswert: Man kann heute winzige Details auf atomarer Größenskala abbilden. Allerdings braucht man dafür eine große Zahl von Elektronen – und nicht jede Probe verträgt das. “Gerade wenn man biologische Proben abbilden möchte, etwa einzelne Proteine, ist das oft ein Problem”, erklärt Philipp Haslinger vom Atominstitut der TU Wien.
Ein Team der TU Wien hat zusammen mit Gruppen der Uni Wien, der JKU Linz und der Uni Innsbruck eine Möglichkeit entwickelt, die Quanteninformation der Elektronen im Mikroskop zu nutzen: Der Elektronenstrahl wird an einen Quantencomputer gekoppelt. “Unsere Idee ist, die Elektronen mit einem Quantencomputer zu kombinieren. Wir lassen sie mit Ionen interagieren, die entlang der Bahn des Elektronenstrahls festgehalten werden”, erklärt Elias Pescoller, Erstautor der Publikation und Doktorand an der TU Wien. “Dadurch kann man eine Quantenverschränkung zwischen dem Elektron und dem Quantencomputer erzeugen.”
Ein klareres Signal, als die klassische Physik erlaubt
Das Ion im Quantencomputer trägt danach Information über das Elektron – und wird kurz darauf mit dem nächsten Elektron verschränkt. “Wenn man jedes Mal ganz bestimmte Quantencomputer-Rechenoperationen durchführt, kann man die Information mehrerer Elektronen optimal kombinieren, sodass wir ein Signal maximaler Stärke bekommen, obwohl wir nur recht wenige Elektronen verwenden”, sagt Dennis Rätzel vom Atominstitut der TU Wien.
“Die Elektronen selbst werden zum Abbilden kleiner Objekte verwendet, genau wie in jedem anderen Elektronenmikroskop. Aber dadurch, dass wir die Quanteninformation dieser Elektronen in einem Quantencomputer verarbeiten, können wir deutlich mehr Information aus diesem Prozess herausbekommen”, sagt Iva Březinová vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. “Was bisher von zufälligem Rauschen nicht zu unterscheiden gewesen wäre, wird dadurch ein klares Signal.”
Nächster Schritt: Experimente
Bislang konnte das Team die Vorteile der neuen Methode mathematisch zeigen. Nun soll die experimentelle Umsetzung folgen: Am Zentrum für Elektronenmikroskopie der TU Wien soll ein ionenbasierter Quantencomputer, der an der Universität Innsbruck entwickelt wird, in ein Elektronenmikroskop eingebaut werden. “Es ist wirklich spannend, dass wir im Rahmen des Exzellenzclusters quantA die Expertise in Quanteninformation, Quantencomputern und Elektronenmikroskopie, die es an den verschiedenen Unis in Österreich gibt, kombinieren können”, so Thomas Juffmann von der Uni Wien.
Fazit
Gelingt die experimentelle Umsetzung, könnten empfindliche Proben künftig mit deutlich weniger Elektronenbeschuss abgebildet werden – ein Vorteil vor allem für die Untersuchung strahlungsempfindlicher biologischer Strukturen wie einzelner Proteine.
Wissenschaftliche Kontakte:
Prof. Iva Březinová, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Wien, T: +43 1 58801 13625, E: iva.brezinova@tuwien.ac.at
Prof. Philipp Haslinger, Universitäre Serviceeinrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie, Technische Universität Wien, E: philipp.haslinger@tuwien.ac.at
GZ
Quelle: Technische Universität Wien
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