양자 컴퓨터가 전자 현미경을 훨씬 더 강력하게 만들 수 있다

소형 양자 컴퓨터를 현미경에 직접 통합함으로써 전자 현미경 기술을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 발명이 이루어졌다.

개별 단백질과 같이 섬세한 샘플의 경우, 전자 현미경은 근본적인 상충 관계에 직면한다. 더 선명한 이미지를 얻으려면 일반적으로 더 많은 전자를 시료에 통과시켜야 하지만, 조사량을 늘리면 연구자들이 관찰하려는 물질 자체가 손상될 위험도 커진다.

Austria의 연구진은 전자 현미경과 양자 컴퓨터를 결합하여 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법을 제안했다. 전자를 이미지 형성용으로만 사용하고 그 전자가 담고 있는 추가적인 양자 정보를 버리는 대신, 이 시스템은 해당 정보를 보존하고 처리한다. 원칙적으로 이는 부서지기 쉬운 샘플을 통과하는 전자의 수를 늘리지 않고도 신호를 강화할 수 있다.

“오늘날 우리는 원자 수준의 미세한 디테일을 촬영할 수 있습니다.”라고 TU Wien의 Institute of Atomic and Subatomic Physics 소속 Philipp Haslinger는 말한다. “하지만 이를 위해서는 방대한 수의 전자가 필요합니다. 그리고 모든 샘플이 손상 없이 그렇게 많은 전자에 노출될 수 있는 것은 아닙니다. 이는 특히 개별 단백질과 같은 생물학적 샘플을 촬영할 때 자주 발생하는 문제입니다.”

트랩된 이온이 통과하는 전자의 정보를 보존하다

연구진의 접근 방식은 각 전자에서 정보를 잃기 전에 더 많은 정보를 추출하도록 설계되었다.

TU Wien, University of Vienna, JKU Linz, 및 University of Innsbruck의 팀들은 현미경을 통과하는 전자가 빔 경로를 따라 고정된 이온과 상호 작용하는 체계를 개발했다. 이 이온들은 양자 컴퓨터의 일부를 형성하며 통과하는 전자와 얽힐 수 있다.

“우리의 아이디어는 전자를 양자 컴퓨터와 결합하는 것입니다. 전자 빔의 경로를 따라 고정되어 있는 이온과 전자가 상호 작용하도록 합니다.”라고 논문의 제1 저자이자 TU Wien의 Institute for Theoretical Physics 및 Institute of Atomic and Subatomic Physics 박사 과정 학생인 Elias Pescoller는 설명한다. “이를 통해 예를 들어 전자와 양자 컴퓨터 사이에 양자 얽힘을 만들 수 있습니다. 그러면 전자와 이온은 공동의 양자 상태를 공유하게 됩니다.”

이러한 상호 작용을 통해 이온은 전자가 현미경을 통과해 지나간 후에도 해당 전자와 관련된 양자 정보를 유지할 수 있다. 또 다른 전자가 도착하면 동일한 방식으로 양자 컴퓨터와 상호 작용할 수 있다. 따라서 연속적인 전자의 정보는 일련의 완전히 분리된 측정값으로 취급되는 대신 누적될 수 있다.