量子计算机新发展：有望大幅提升电子显微镜性能！

近日，一项来自奥地利的最新研究提出，将小型量子计算机直接集成进电子显微镜，有望突破传统成像中“清晰度”与“样品损伤”之间的根本矛盾。相关成果由维也纳工业大学、维也纳大学、林茨约翰内斯·开普勒大学及因斯布鲁克大学合作完成。
电子显微镜在观察单个蛋白质等脆弱样品时长期面临两难，要获得更清晰的图像，通常需要更多电子穿过样品；但电子束剂量越高，样品受损风险越大。维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的菲利普·哈斯林格指出，如今虽已能在原子尺度成像，却需要大量电子，而并非所有样品都能承受这样的辐照，生物样品尤其如此。

研究人员提出的新思路，是在电子穿过显微镜的过程中，让其与沿束流路径被囚禁的离子发生相互作用。这些离子是量子计算机的一部分，能与经过的电子产生量子纠缠，使电子与离子共享一个联合量子态。这样一来，即使电子继续穿过显微镜，离子仍能保留与该电子相关的量子信息。当后续电子到达时，也可同样与量子计算机交互，从而将来自连续电子的信息累积起来，而非视为彼此独立的测量。

“如果我们每次执行非常特定的量子计算操作，就能以最优方式整合来自多个电子的信息，从而即使只使用相对较少的电子，也能获得强度最大的信号。”维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的丹尼斯·雷策尔表示。用于整合信息的量子算法，由林茨约翰内斯·开普勒大学约翰内斯·科夫勒团队合作开发。

传统电子显微镜主要依赖对电子的探测与计数，而新方案通过处理粒子与囚禁离子相互作用后携带的量子信息，增加了一层测量维度。维也纳工业大学理论物理研究所的伊娃·布热齐诺娃解释说，电子本身仍用于成像，原理与其他电子显微镜并无二致，但通过在量子计算机中处理这些电子携带的量子信息，能够提取更丰富的信息，使原本难以与随机噪声区分开的信号变为清晰信号。佩斯科勒更直言：“量子物理学使我们能够突破制约传统电子显微镜的统计极限。”

目前，该方法的优势仅在数学层面得到证明，尚未在实际显微镜下验证。研究团队计划在维也纳工业大学的透射电子显微镜大学服务中心，将因斯布鲁克大学菲利普·辛德勒课题组研制的离子型量子计算机与电子显微镜相集成。这一合作通过奥地利quantA卓越集群开展，整合了量子信息、量子计算和电子显微镜等通常分属不同领域的专业知识。维也纳大学的托马斯·尤夫曼表示，能在该框架下整合奥地利各高校的专业优势，使这一独具特色的项目得以启动。

如果实验系统按预期运行，其核心优势在于能从更少的电子数中获取更多有用信息。这将使电子显微镜更适合研究脆弱样品，包括那些在常规成像技术尚未收集到足够电子以生成清晰图像之前就可能遭到破坏的单个蛋白质等样品。