전자현미경은 일반 빛으로 볼 수 있는 것보다 훨씬 작은 구조를 드러낼 수 있습니다. 그러나 오스트리아 연구자들은 기존의 전자현미경이 귀중한 정보를 테이블 위에 남겨둘 수 있다고 말합니다.
표준 시스템에서 전자는 주로 이미지를 생성하기 위해 계산됩니다. 그러나 각 전자는 일반적으로 사용되지 않는 양자 정보도 전달합니다. 비엔나 대학교, JKU Linz 및 인스브루크 대학교 팀과 협력하는 TU Wien 연구원들은 추가 정보 중 일부를 캡처하고 처리하도록 설계된 새로운 접근 방식을 개발했습니다.
그의 아이디어는 전자현미경을 양자컴퓨터에 연결하는 것이다. 이를 통해 연구자들은 각 전자에서 더 유용한 정보를 추출하여 잠재적으로 과학자들이 더 적은 수의 전자에 섬세한 샘플을 노출시키면서 더 선명한 이미지를 형성할 수 있기를 희망합니다. 이는 쉽게 손상되는 생물학적 물질에 특히 유용할 수 있습니다. 이 개념을 기반으로 한 양자 컴퓨터 전자 현미경이 TU Wien에서 구축되고 있습니다.
양자 얽힘을 사용하여 각 전자에서 더 많은 것을 얻습니다.
현대 전자현미경은 이미 놀라운 해상도에 도달했습니다.
“오늘날 우리는 원자 규모의 작은 세부 사항을 이미지화할 수 있습니다”라고 TU Wien의 원자 및 아원자 물리학 연구소의 Philipp Haslinger는 말합니다. “그러나 이를 위해서는 많은 수의 전자가 필요합니다. 그리고 모든 샘플이 손상 없이 그렇게 많은 전자에 노출될 수 있는 것은 아닙니다. 이는 특히 개별 단백질과 같은 생물학적 샘플을 이미징할 때 문제가 되는 경우가 많습니다.”
그렇다면 과제는 연구자들이 이미지를 생성하는 데 필요한 총 수를 줄일 수 있도록 각 전자에 대해 더 많이 배우는 것입니다.
연구팀은 갇힌 이온 주위에 구축된 양자 컴퓨터에 전자를 묶어 이를 수행할 것을 제안합니다.
“우리의 아이디어는 전자를 양자 컴퓨터와 결합하는 것입니다. 우리는 전자가 전자빔의 경로를 따라 제자리에 유지되는 이온과 상호 작용하도록 합니다”라고 이론 물리학 연구소와 TU Wien의 원자 및 아원자 물리학 연구소의 박사 과정 학생이자 이 논문의 첫 번째 저자인 Elias Pescoller는 설명합니다. “예를 들어, 이는 전자와 양자 컴퓨터 사이에 양자 얽힘을 생성할 수 있습니다. 그러면 전자와 이온은 공동 양자 상태를 공유합니다.”
양자 얽힘을 사용하면 두 양자 시스템이 고전 물리학에서 직접적으로 동일하지 않은 방식으로 정보를 공유할 수 있습니다. 이 설정에서는 현미경을 통과하는 전자가 양자 컴퓨터의 이온과 얽혀 전자에 대한 정보가 이온에 저장될 수 있습니다.
약한 신호를 유용한 정보로 변환
전자가 갇힌 이온과 상호 작용한 후 다른 전자도 통과하여 양자 컴퓨터와 얽힐 수 있습니다. 신중하게 설계된 양자 연산을 반복적으로 수행함으로써 시스템은 여러 전자의 정보를 결합할 수 있습니다.
“매번 매우 구체적인 양자 컴퓨팅 작업을 수행하면 여러 전자의 정보를 최적으로 결합하여 상대적으로 적은 수의 전자만 사용하더라도 최대 강도의 신호를 얻을 수 있습니다”라고 TU Wien의 원자 및 아원자 물리학 연구소의 Dennis Rätzel은 말합니다.
이 처리를 수행하는 데 필요한 알고리즘은 JKU Linz의 Johannes Kofler 팀과 공동으로 개발되었습니다.
기본 이미징 프로세스는 기존 전자현미경에서와 마찬가지로 여전히 전자에 의존합니다. 차이점은 양자 컴퓨터가 그렇지 않으면 손실될 전자에 의해 운반되는 정보를 처리할 수 있다는 것입니다.
“전자 자체는 다른 전자 현미경과 마찬가지로 작은 물체를 이미지화하는 데 사용됩니다. 그러나 양자 컴퓨터에서 이러한 전자에 의해 운반되는 양자 정보를 처리함으로써 우리는 프로세스에서 훨씬 더 많은 정보를 추출할 수 있습니다”라고 TU Wien 이론 물리학 연구소의 Iva Březinová는 말합니다. “이전에는 무작위 잡음과 구별할 수 없었던 것이 명확한 신호가 될 수 있습니다.”
이를 통해 과학자들은 일반적인 전자 계산만으로는 식별할 수 없는 유용한 세부 사항을 복구할 수 있습니다.
“양자 물리학을 통해 우리는 기존 전자 현미경을 제한하는 통계적 한계를 극복할 수 있습니다.”라고 Elias Pescoller는 말합니다.
수학적 증명에서 실제 현미경으로
지금까지 연구자들은 새로운 방법이 상당한 이점을 제공해야 한다는 것을 수학적으로 보여주었습니다. 다음 과제는 이러한 이점을 실험적으로 입증하는 것입니다.
비엔나대학교 투과전자현미경서비스센터(USTEM) 연구진은 이온 기반 양자 컴퓨터를 전자현미경에 통합할 준비를 하고 있습니다. 양자 컴퓨터는 인스브루크 대학의 필립 쉰들러 팀이 개발했습니다.
시스템이 예상대로 작동한다면 연구자들이 민감한 샘플을 더 적은 수의 전자에 노출시키면서 더 많은 정보를 얻을 수 있는 전자 현미경에 대한 새로운 접근 방식을 열 수 있습니다.
비엔나 대학의 Thomas Juffmann은 “QuantA Cluster of Excellence 내에서 오스트리아의 여러 대학에서 사용할 수 있는 양자 정보, 양자 컴퓨팅 및 전자 현미경에 대한 전문 지식을 결합할 수 있다는 것은 정말 흥미로운 일입니다. 이를 통해 독특한 프로젝트를 시작할 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다.
비엔나 대학이 조정하는 컨소시엄의 주요 자금은 Cluster of Excellence QuantA와 Gordon and Betty Moore Foundation을 통해 오스트리아 과학 기금(FWF)에서 제공됩니다.
/공개 출시. 원래 조직이나 작성자가 제공한 이 자료는 일회성 성격을 가질 수 있으며 명확성, 스타일 및 길이를 위해 편집될 수 있습니다. Mirage.News는 제도적 입장이나 측면을 채택하지 않으며, 여기에 표현된 모든 의견, 입장 및 결론은 전적으로 저자의 것입니다. 여기를 참조하세요
