Österreichische Forscher „pimpen“ Elektronenmikroskop mit Quantencomputer

Österreichische Quantenforscher wollen die Elektronenmikroskopie verbessern, indem sie das Mikroskop mit einem Quantencomputer koppeln. Damit soll aus jedem Elektron, mit dem Proben „durchleuchtet“ werden, mehr Information ausgelesen werden als bisher. Das wäre speziell für empfindliche Proben vorteilhaft. Im Fachjournal Physical Review Letters zeigten sie nun mathematisch die Vorteile dieses Konzepts. Im nächsten Schritt wollen sie ein solches Instrument bauen.

In einem Elektronenmikroskop wird nicht Licht, sondern ein gebündelter Elektronenstrahl verwendet, um winzige Details einer Probe auf atomarer Größenskala sichtbar zu machen. „Allerdings braucht man dafür eine große Zahl von Elektronen“, erklärte Philipp Haslinger vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien in einer Aussendung. Beim Beschuss mit vielen Elektronen können allerdings empfindliche Präparate, etwa biologische Proben wie Proteine, beschädigt werden.

Könnte man aus jedem einzelnen Elektron mehr Information auslesen als bisher, würde man mit einer kleineren Zahl von Elektronen auskommen. Daran arbeitet ein Forschungsteam von TU Wien sowie der Universitäten Wien, Linz und Innsbruck, indem es auch die Quanteninformation, die in den Elektronen steckt, verwendet. Dazu soll der Elektronenstrahl an einen Quantencomputer gekoppelt werden.

Ziel ist, die Elektronen mit den Ionen eines Quantencomputers interagieren zu lassen, die entlang der Bahn des Elektronenstrahls festgehalten werden. Dadurch soll zum Beispiel eine Quantenverschränkung zwischen dem Elektron und dem Ion erzeugt werden. Sobald die beiden Teilchen verschränkt sind, teilen sich Elektron und Ion einen gemeinsamen Quantenzustand und tragen beide die gleiche Information. Macht man das mit jedem Elektron und führt dabei jedes Mal eine bestimmte Quantencomputer-Rechenoperation durch, kann die Information mehrerer Elektronen optimal kombiniert werden.

Das liefert ein Signal maximaler Stärke, obwohl nur recht wenige Elektronen verwendet werden. Mittels Quantenphysik könne man so „die Grenzen der Statistik überwinden, an die man bei klassischen Elektronenmikroskopen gebunden ist“, so Elias Pescoller, Erstautor der Publikation und Doktorand am Institut für Theoretische Physik und dem Atominstitut der TU Wien.

Nachdem das Team mathematisch die Vorteile der neuen Methode gezeigt hat, soll nun die experimentelle Umsetzung folgen: Die Wissenschafterinnen und Wissenschafter wollen im Rahmen des Exzellenzclusters quantA am Zentrum für Elektronenmikroskopie der TU Wien einen ionenbasierten Quantencomputer in ein Elektronenmikroskop einbauen.