Zusammenfassung:
Eine Reihe wissenschaftlicher Forschungsteams in Österreich haben kürzlich eine bahnbrechende technische Lösung vorgeschlagen und verifizieren diese: Durch die direkte Integration eines kleinen Ionenfallen-Quantencomputers in ein Elektronenmikroskop wird der Quantenverschränkungseffekt genutzt, um die von den Elektronen getragene Quanteninformation vollständig zu extrahieren, wodurch Strahlungsschäden an fragilen Proben erheblich reduziert werden und gleichzeitig die Klarheit der mikroskopischen Bildgebung erheblich verbessert wird.
Dieses gemeinsam von der Technischen Universität Wien, der Universität Wien, der Johann Kepler Universität Linz und der Universität Innsbruck durchgeführte Projekt soll die Abbildungsschwierigkeiten herkömmlicher Elektronenmikroskope bei der Beobachtung fragiler Proben wie biologischer Makromoleküle vollständig beseitigen.
Bei der herkömmlichen elektronenmikroskopischen Bildgebung stehen Forscher oft vor unüberbrückbaren Widersprüchen. Um klare Bilder mit hohem Kontrast und geringem Rauschen zu erhalten, ist häufig eine Erhöhung der in die Probe eindringenden Elektronendosis erforderlich. Dies kann jedoch leicht zu Schäden an äußerst empfindlichen biologischen Materialien wie Proteinmolekülen führen. Wenn die Stärke des Elektronenbeschusses bewusst reduziert wird, um die Probe zu schützen, wird das schwache Bildsignal leicht durch zufälliges Rauschen überlagert. Herkömmliche Mikroskope behandeln Elektronen nur als zählende Teilchen, die auf einen Detektor treffen, und verwerfen direkt die große Menge zusätzlicher Quanteninformationen, die von den Elektronen selbst getragen werden.
Um diese physikalische Einschränkung zu lösen, entwickelte das Forschungsteam einen neuen Quantenkopplungsmechanismus. Wenn der Elektronenstrahl das Mikroskop passiert und sich im optischen Pfad bewegt, führen die Forscher ihn zu einer kontrollierten Wechselwirkung mit den zuvor eingefangenen und fixierten Ionen, sodass die in die Probe eindringenden Elektronen mit dem Ionenfallen-Quantencomputer quantenverschränkt werden und die von den Elektronen getragenen Probenzustandsinformationen vollständig in den Ionen erhalten bleiben. Wenn nachfolgende Elektronen eines nach dem anderen durchlaufen und erneut mit dem System verwickelt werden, führt der Quantencomputer speziell entwickelte Algorithmusoperationen aus, um die Quanteninformationen mehrerer Elektronen optimal zu kombinieren und die schwachen Signale, die bei klassischen statistischen Messungen ursprünglich nicht erkennbar waren, in wirkungsvolle Bilder mit hohem Kontrast umzuwandeln, wodurch die statistischen Grenzen traditioneller Elektronenmikroskope auf mathematischer und physikalischer Ebene durchbrochen werden.
Die theoretischen Vorteile dieses Schemas wurden zuvor durch strenge mathematische Beweise bestätigt. Derzeit baut das Forschungsteam am Universitätsservicezentrum für Transmissionselektronenmikroskopie der Technischen Universität Wien das erste Prototypsystem auf und verifiziert es experimentell. Dabei wird die von der Universität Innsbruck entwickelte ionenbasierte Quantencomputerhardware präzise mit der Transmissionselektronenmikroskopeinheit integriert. Wenn die anschließende experimentelle Verifizierung den theoretischen Erwartungen entspricht, wird es diese Fusionstechnologie ermöglichen, die Feinstruktur einzelner fragiler Proteine und biologischer Proben in einem zerstörungsfreien Zustand zu beobachten, was einen neuen mikroskopischen Beobachtungspfad für die Strukturbiologie und Nanomaterialwissenschaft eröffnet.
Kommentare