要約:
オーストリアの多くの科学研究チームは最近、画期的な技術的解決策を提案し、検証しています。小型のイオントラップ量子コンピュータを電子顕微鏡に直接統合することにより、量子もつれ効果を利用して電子によって運ばれる量子情報を完全に抽出します。これにより、壊れやすいサンプルへの放射線損傷が大幅に軽減され、同時に顕微鏡画像の鮮明さが大幅に向上します。
このプロジェクトは、ウィーン工科大学、リンツ大学ヨハン・ケプラー大学、インスブルック大学が共同で実施するもので、生体高分子などの壊れやすいサンプルを観察する際に従来の電子顕微鏡が直面するイメージングの困難を完全に解決することが期待されています。
従来の電子顕微鏡イメージングでは、研究者はしばしば和解できない矛盾に直面します。高コントラストで低ノイズの鮮明な画像を取得するには、多くの場合、サンプルを透過する電子線量を増やす必要がありますが、これにより、タンパク質分子などの非常に敏感な生体材料が損傷しやすくなります。サンプルを保護するために電子衝撃の量を意図的に減らすと、弱いイメージング信号がランダム ノイズに簡単に圧倒されてしまいます。従来の顕微鏡は、電子を検出器に衝突する粒子をカウントするものとしてのみ扱い、電子自体によって運ばれる大量の追加の量子情報を直接破棄します。
この物理的制限を解決するために、研究チームは新しい量子結合メカニズムを設計しました。電子ビームが顕微鏡を通過して光路を進むとき、研究者は、事前に捕捉および固定されたイオンとの相互作用を制御するように誘導します。これにより、サンプルを透過した電子はイオントラップ量子コンピュータで量子もつれが生じ、電子によって運ばれるサンプルの状態情報がイオンに完全に保存されます。後続の電子が次々と通過し、再びシステムに絡まると、量子コンピューターは特別に設計されたアルゴリズム操作を実行して複数の電子からの量子情報を最適に組み合わせ、古典的な統計的測定では元々認識できなかった弱い信号をコントラストの高い効果的な画像に変換し、それによって数学的および物理的レベルで従来の電子顕微鏡の統計的限界を突破します。
このスキームの理論上の利点は、厳密な数学的証明によって以前に確認されています。現在、研究チームはウィーン工科大学の透過電子顕微鏡大学サービスセンターで最初のプロトタイプシステムを構築し実験的に検証しており、インスブルック大学が開発したイオンベースの量子コンピューターハードウェアと透過電子顕微鏡本体を正確に統合している。その後の実験検証が理論的期待を満たせば、この融合技術により、単一の脆弱なタンパク質や生体サンプルの微細構造を非破壊状態で観察することが可能となり、構造生物学やナノ材料科学に新たな顕微鏡観察の道が開かれます。
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