Das Quantencomputer-Mikroskop
Neue Erfindung soll die Elektronenmikroskopie deutlich verbessern
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Elektronenmikroskope werden heute überall verwendet, wo man besonders kleine Details abbilden muss. Aber streng physikalisch betrachtet ist jedes Elektron in einem herkömmlichen Elektronenmikroskop eine vergebene Chance: Wenn man einfach nur Elektronen zählt, dann geht jede zusätzliche Quanteninformation, die es trägt, ungenutzt verloren.
Ein Elektronenmikroskop, das durch eingebaute Ionenfallen Quantum-Computing-Operationen ausführen kann
© TU Wien
Ein Team der TU Wien hat zusammen mit Teams von der Uni Wien, der JKU Linz und der Uni Innsbruck eine Möglichkeit entwickelt, die Quanteninformation der Elektronen im Elektronenmikroskop zu verwenden: Man koppelt den Elektronenstrahl an einen Quantencomputer – dadurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten, mit der Quanteninformation der Elektronen zu arbeiten. Gerade für empfindliche Proben, die man nicht mit beliebig vielen Elektronen beschießen kann, ist das sehr wichtig. Das Quantencomputer-Elektronenmikroskop wird nun an der TU Wien aufgebaut.
Gezielte Quantenverschränkung
Die Auflösung, die man mit modernen Elektronenmikroskopen erzielen kann, ist bemerkenswert: „Man kann heute winzige Details auf atomarer Größenskala abbilden“, sagt Philipp Haslinger vom Atominstitut der TU Wien. „Allerdings braucht man dafür eine große Zahl von Elektronen. Und nicht jede Probe kann mit so vielen Elektronen beschossen werden, ohne dabei Schaden zu nehmen. Gerade wenn man biologische Proben abbilden möchte, etwa einzelne Proteine, ist das oft ein Problem.“
Wenn es aber gelingt, aus jedem einzelnen Elektron mehr Information auszulesen als bisher, dann kommt man auch mit einer kleineren Zahl von Elektronen aus. Genau dafür fand das Team nun eine Methode: „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, der Erstautor der Publikation und Doktorand am Institut für Theoretische Physik und dem Atominstitut der TU Wien. „Dadurch kann man zum Beispiel eine Quantenverschränkung zwischen dem Elektron und dem Quantencomputer erzeugen. Elektron und Ion teilen sich einen gemeinsamen Quantenzustand.“
Ein klareres Signal, als die klassische Physik erlaubt
Das Ion im Quantencomputer trägt nun also Information über das Elektron – und kurz darauf kommt das nächste Elektron vorbei und wird ebenfalls mit dem Quantencomputer verschränkt. „Wenn man jedes Mal ganz bestimmte Quantencomputer-Rechenoperationen durchführt, dann 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 Algorithmen, die dies erlauben, wurden in Kollaboration mit dem Team von Johannes Kofler von der JKU Linz entwickelt.
„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.“
Die Quantenphysik bietet hier Möglichkeiten, die ohne Quanten, also mit rein klassischem Elektronenzählen, ganz prinzipiell nicht erreichbar sind. „Die Quantenphysik überwindet die Grenzen der Statistik, an die man bei klassischen Elektronenmikroskopen gebunden ist“, sagt Elias Pescoller.
Nächster Schritt: Experimente
Das Team konnte mathematisch zeigen, welche Vorteile die neue Methode hat. Nun soll die experimentelle Umsetzung folgen: Am Zentrum für Elektronenmikroskopie der TU Wien (USTEM) soll nun ein ionenbasierter Quantencomputer, der im Team von Philipp Schindler 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. Dies erlaubt es uns, ein einzigartiges Projekt zu starten“, so Thomas Juffmann von der Uni Wien.
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