رایانه کوانتومی میکروسکوپهای الکترونی را قدرتمندتر میکند
پژوهشگران اتریشی طرحی جدید برای ارتقای توانایی میکروسکوپهای الکترونی ارائه کردهاند که در آن یک رایانه کوانتومی کوچک مستقیما با میکروسکوپ الکترونی ترکیب میشود. این روش میتواند با استفاده مؤثرتر از اطلاعات کوانتومی موجود در هر الکترون امکان استخراج سیگنالهای دقیقتر را با تعداد کمتری از الکترونها فراهم کند، موضوعی که بهویژه برای تصویربرداری از نمونههای حساس مانند پروتئینهای منفرد اهمیت دارد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس تک دیلی، میکروسکوپهای الکترونی برای مشاهده ساختارهای بسیار کوچک و رسیدن به وضوح در مقیاس اتمی معمولا به تعداد زیادی الکترون نیاز دارند. با این حال افزایش تعداد الکترونهای عبوری از نمونه همیشه مطلوب نیست زیرا تابش الکترونی میتواند به نمونههای حساس آسیب وارد کند. این مسئه در بررسی نمونههای زیستی از جمله پروتئینهای منفرد اهمیت بیشتری پیدا میکند.
پژوهشگران اتریشی پیشنهاد کردهاند برای کاهش این محدودیت اطلاعات کوانتومی همراه با الکترونها پیش از آنکه از بین برود، حفظ و پردازش شود. در این روش الکترونهای عبوری با یونهایی که در مسیر پرتو الکترونی به دام افتادهاند، برهمکنش میکنند. این یونها بخشی از یک رایانه کوانتومی هستند و میتوانند اطلاعات کوانتومی مرتبط با الکترونهای عبوری را در خود حفظ کنند.
فیلیپ هازلیگر از موسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه صنعتی وین درباره ضرورت این فناوری گفت: امروزه میتوانیم جزئیات بسیار کوچک را در مقیاس اتمی تصویربرداری کنیم، اما این کار به تعداد زیادی الکترون نیاز دارد. همه نمونهها نمیتوانند بدون آسیبدیدن در معرض چنین تعداد زیادی از الکترونها قرار گیرند. این مسئله بهویژه هنگام تصویربرداری از نمونههای زیستی مانند پروتئینهای منفرد مشکلساز است.
یونهای بهدامافتاده اطلاعات الکترونها را حفظ میکنند
ایده اصلی پژوهشگران این است که از اطلاعات بیشتری که هر الکترون در اختیار قرار میدهد استفاده شود، به جای آنکه پس از ثبت تصویر بخش قابلتوجهی از اطلاعات کوانتومی آن از دست برود.
گروههایی از دانشگاه صنعتی وین، دانشگاه وین، دانشگاه یوهانس کپلر لینتس و دانشگاه اینسبروک طرحی را توسعه دادهاند که در آن الکترونهای عبوری از میکروسکوپ با یونهایی که در طول مسیر پرتو الکترونی در جای خود نگه داشته شدهاند برهمکنش میکنند.
این یونها بخشی از یک رایانه کوانتومی هستند و برهمکنش آنها با الکترونها میتواند به ایجاد درهمتنیدگی کوانتومی میان الکترون و رایانه کوانتومی منجر شود.
الیاس پسکولر، نویسنده اول این پژوهش و دانشجوی دکتری موسسه فیزیک نظری و موسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه صنعتی وین توضیح داد: ایده ما این است که الکترونها را با یک رایانه کوانتومی ترکیب کنیم. ما اجازه میدهیم آنها با یونهایی که در مسیر پرتو الکترونی در جای خود نگه داشته شدهاند برهمکنش کنند. این کار میتواند برای مثال میان الکترون و رایانه کوانتومی درهمتنیدگی کوانتومی ایجاد کند. در این حالت الکترون و یون یک حالت کوانتومی مشترک دارند.
به این ترتیب یون میتواند اطلاعات کوانتومی مرتبط با یک الکترون را حتی پس از عبور آن الکترون از بخش مربوطه در میکروسکوپ حفظ کند. سپس الکترون بعدی نیز میتواند با رایانه کوانتومی برهمکنش داشته باشد و اطلاعات حاصل از الکترونهای مختلف بهصورت متوالی روی یکدیگر انباشته شود.
در نتیجه برخلاف روشهای متداول که در آنها هر اندازهگیری تا حد زیادی بهصورت مستقل انجام میشود اطلاعات بهدستآمده از چندین الکترون میتواند در یک فرایند کوانتومی مشترک ترکیب شود.
دنیس رتسل از موسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه صنعتی وین گفت: اگر هر بار عملیات بسیار مشخصی از محاسبات کوانتومی را انجام دهیم، میتوانیم اطلاعات چندین الکترون را بهصورت بهینه با یکدیگر ترکیب کنیم تا حتی با استفاده از تعداد نسبتا کمی از الکترونها سیگنالی با بیشترین قدرت ممکن به دست آوریم.
الگوریتمهای کوانتومی موردنیاز برای ترکیب این اطلاعات نیز با همکاری گروه یوهانس کوفلر در دانشگاه یوهانس کپلر لینتس توسعه یافتهاند.
پردازش کوانتومی میتواند سیگنالهای پنهان در نویز را آشکار کند
در طرح پیشنهادی اصل تصویربرداری همچنان بر استفاده از الکترونها برای بررسی نمونه استوار است، تفاوت اصلی در نحوه استخراج اطلاعات از این الکترونها ایجاد میشود.
در میکروسکوپهای الکترونی معمولی اندازهگیری تا حد زیادی بر شناسایی و شمارش الکترونها متکی است اما در سامانه جدید، پس از برهمکنش الکترونها با یونهای بهدامافتاده، اطلاعات کوانتومی آنها نیز در فرایند محاسباتی مورد استفاده قرار میگیرد.
ایوا برژینوا از موسسه فیزیک نظری دانشگاه صنعتی وین در اینباره گفت: خود الکترونها برای تصویربرداری از اجرام کوچک استفاده میشوند درست مانند هر میکروسکوپ الکترونی دیگری، اما با پردازش اطلاعات کوانتومی موجود در این الکترونها در یک رایانه کوانتومی میتوانیم اطلاعات بسیار بیشتری از این فرایند استخراج کنیم.
به گفته او در نتیجه این پردازش چیزی که در روشهای پیشین از نویز تصادفی قابل تشخیص نبود میتواند به یک سیگنال واضح تبدیل شود.
اهمیت این موضوع به محدودیتهای آماری اندازهگیریهای معمول بازمیگردد. زمانی که به دلیل حساسیت نمونه نمیتوان از تعداد زیادی الکترون استفاده کرد ویژگیهای ضعیف موجود در تصویر ممکن است در میان نوسانات تصادفی یا نویز آماری پنهان شوند.
پژوهشگران معتقدند استفاده از پدیدههای کوانتومی مانند درهمتنیدگی میتواند امکان بازیابی بخشی از اطلاعاتی را فراهم کند که در روشهای متعارف اندازهگیری مورد استفاده قرار نمیگیرند.
پسکولر در این زمینه گفت: فیزیک کوانتومی به ما اجازه میدهد بر محدودیتهای آماری غلبه کنیم؛ محدودیتهایی که میکروسکوپهای الکترونی متعارف را محدود میکنند.
آزمایش عملی میکروسکوپ کوانتومی در مرحله بعد
با وجود این نتایج فناوری پیشنهادی هنوز در یک میکروسکوپ عملیاتی آزمایش نشده است. مزایای این روش تاکنون بهصورت ریاضی نشان داده شدهاند و پژوهشگران اکنون در حال آمادهسازی آزمایشهایی هستند تا مشخص شود آیا این مزایای نظری در یک سامانه واقعی نیز قابل دستیابی هستند یا خیر.
در مرکز خدمات دانشگاهی میکروسکوپی الکترونی عبوری دانشگاه صنعتی وین پژوهشگران قصد دارند یک رایانه کوانتومی مبتنی بر یون را که توسط گروه فیلیپ شیندلر در دانشگاه اینسبروک توسعه یافته است با یک میکروسکوپ الکترونی ادغام کنند.
اجرای این طرح نیازمند ترکیب چند حوزه تخصصی است که معمولا بهصورت جداگانه از جمله اطلاعات کوانتومی، محاسبات کوانتومی و میکروسکوپی الکترونی دنبال میشوند.
این همکاری در چارچوب quantA Cluster of Excellence اتریش انجام میشود؛ مجموعهای که امکان همکاری میان پژوهشگران دانشگاههای مختلف این کشور را در زمینه فناوریهای کوانتومی فراهم کرده است.
توماس یوفمان از دانشگاه وین درباره این همکاری گفت: واقعا هیجانانگیز است که در چارچوب خوشه تعالی quantA میتوانیم تخصص موجود در زمینه اطلاعات کوانتومی، محاسبات کوانتومی و میکروسکوپی الکترونی را که در دانشگاههای مختلف اتریش وجود دارد با یکدیگر ترکیب کنیم. این همکاری به ما اجازه میدهد پروژهای منحصربهفرد را آغاز کنیم.
در صورت موفقیت آزمایشهای عملی، مهمترین مزیت این فناوری آن خواهد بود که بتوان اطلاعات مفید بیشتری را از تعداد کمتری الکترون استخراج کرد. چنین قابلیتی میتواند میکروسکوپی الکترونی را برای بررسی نمونههای بسیار حساس از جمله پروتئینهای منفرد مناسبتر کند؛ نمونههایی که ممکن است پیش از آنکه میکروسکوپهای معمولی بتوانند تعداد کافی الکترون برای ایجاد تصویری واضح دریافت کنند در اثر تابش آسیب ببینند.
این طرح در حال حاضر بیش از آنکه یک میکروسکوپ کوانتومی آماده استفاده باشد یک معماری آزمایشی برای ترکیب میکروسکوپی الکترونی و محاسبات کوانتومی است. نتیجه آزمایشهای آینده مشخص خواهد کرد که آیا افزایش بهرهوری اطلاعاتی پیشبینیشده در محاسبات نظری میتواند در یک سامانه واقعی نیز به تصویربرداری دقیقتر با آسیب کمتر به نمونه منجر شود یا خیر.
انتهای پیام/
