رایانه کوانتومی؛ تحولی در تصویربرداری از پروتئین‌ها و نمونه‌های حساس

پژوهشگران با ارائه یک معماری نوین، موفق شدند از طریق ادغام رایانه کوانتومی و میکروسکوپ‌های الکترونی، محدودیت‌های تصویربرداری از نمونه‌های زیستی حساس را پشت سر بگذارند. این دستاورد علمی می‌تواند دقت مشاهده ساختارهای اتمی را بدون تخریب نمونه‌ها به‌شدت افزایش دهد.

تحول در فناوری تصویربرداری با رایانه کوانتومی

در روش‌های سنتی، میکروسکوپ‌های الکترونی برای دستیابی به وضوح بالا در مقیاس اتمی، به جریان شدیدی از الکترون‌ها نیاز دارند. با این حال، این تابش شدید می‌تواند به نمونه‌های بسیار حساس، مانند پروتئین‌های منفرد، آسیب فیزیکی وارد کند. مشکل اصلی اینجاست که برای جلوگیری از تخریب نمونه، باید تعداد الکترون‌ها را کاهش داد، اما این کار منجر به کاهش کیفیت تصویر و افزایش نویز می‌شود.

تیم تحقیقاتی اتریشی با استفاده از رایانه کوانتومی، راهکاری برای این چالش یافته‌اند. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که اطلاعات کوانتومی موجود در هر الکترون، پیش از آنکه از دست برود، توسط یون‌های به‌دام‌افتاده در مسیر پرتو ذخیره و پردازش شود.

مکانیسم درهم‌تنیدگی و حفظ اطلاعات

ایده اصلی این فناوری بر پایه ایجاد یک حالت کوانتومی مشترک استوار است. در این فرآیند، الکترون‌های عبوری با یون‌هایی که بخشی از یک سیستم محاسباتی کوانتومی هستند، برهم‌کنش می‌کنند. این تعامل باعث ایجاد درهم‌تنیدگی کوانتومی میان الکترون و رایانه می‌شود.

• حفظ داده‌ها: یون‌ها اطلاعات کوانتومی الکترون را حتی پس از عبور آن ذخیره می‌کنند.
• انباشت اطلاعات: اطلاعات حاصل از الکترون‌های مختلف به‌صورت متوالی روی هم انباشته می‌شود.
• افزایش سیگنال: ترکیب اطلاعات چندین الکترون در یک فرایند مشترک، سیگنالی بسیار قوی‌تر از روش‌های مستقل ایجاد می‌کند.

غلبه بر نویز و محدودیت‌های آماری

یکی از بزرگترین چالش‌ها در میکروسکوپی اتمی، پنهان شدن سیگنال‌های ضعیف در میان نویزهای تصادفی است. متخصصان معتقدند که پردازش کوانتومی می‌تواند سیگنال‌هایی را که در روش‌های معمولی غیرقابل تشخیص هستند، آشکار کند. در واقع، رایانه کوانتومی اجازه می‌دهد از محدودیت‌های آماری که میکروسکوپ‌های معمولی با آن روبرو هستند، عبور کنیم.

"فیزیک کوانتومی به ما این امکان را می‌دهد که بر محدودیت‌های آماری غلبه کنیم؛ محدودیت‌هایی که میکروسکوپ‌های الکترونی متعارف را محدود می‌کنند."

آینده پژوهش و آزمایش‌های عملی

اگرچه نتایج این تحقیق تاکنون به‌صورت ریاضی و تئوری اثبات شده است، اما گام بعدی محققان، اجرای آزمایش‌های عملی در یک سیستم واقعی است. در همین راستا، همکاری‌های بین‌المللی در قالب خوشه تعالی quantA در اتریش، در حال فراهم کردن بستری برای ادغام یک رایانه کوانتومی مبتنی بر یون با میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری است.

در صورت موفقیت این آزمایش‌ها، عصر جدیدی در مشاهده دنیای زیراتمی آغاز خواهد شد که در آن دقت تصویربرداری و سلامت نمونه‌های زیستی با هم تلاقی می‌کنند.

نتیجه‌گیری: ترکیب فناوری‌های کوانتومی با میکروسکوپی الکترونی، مسیری نو برای بررسی دقیق‌ترین اجزای حیات فراهم می‌کند که می‌تواند انقلابی در علوم زیستی و فیزیک اتمی ایجاد نماید.