Sådan skal TU Wiens kvantecomputer-mikroskop beskytte følsomme prøver

Et nyt forslag fra et østrigsk forskerhold vender den traditionelle idé om elektronmikroskopi på hovedet: I stedet for at måle hver elektron separat og kassere dens kvanteinformation med det samme skal elektronerne kobles til en lille kvantecomputer med indfangede ioner.

Målet er ikke at fjerne elektronerne fra målingen, men at få mere brugbar information ud af hver enkelt elektron. Det kan blive afgørende ved undersøgelser af strålefølsomt biologisk materiale, hvor selve elektronstrålen kan beskadige eller ødelægge den struktur, man forsøger at se.

Sådan er mikroskopet tænkt

I et almindeligt elektronmikroskop passerer elektroner gennem eller hen over prøven, hvorefter deres påvirkning registreres. Jo flere elektroner der måles, desto bedre bliver den statistiske sikkerhed typisk – men hver ekstra elektron kan også afsætte energi, ionisere materialet eller udløse radiolyse.

I den foreslåede opstilling skal en frit bevægende elektron i mikroskopet i stedet vekselvirke koherent med en kvanteprocessor baseret på indfangede ioner. Det betyder, at elektronen og en ion-qubit kan blive korrelerede – i bedste fald sammenfiltrede. Information om, hvordan prøven påvirkede elektronen, kan dermed overføres til ionerne.

Ionerne fungerer som en slags kvantehukommelse. Når den første elektron har passeret, behøver dens information ikke straks at blive målt og gå tabt. Den kan blive liggende i ionregistret, mens den næste elektron ankommer.

Mellem elektronerne kan kvanteporte bearbejde ionerne. På den måde kan information fra successive elektroner kombineres, omformes eller beskyttes, før forskerne til sidst aflæser kvantetilstanden. Forskerne beskriver derfor metoden som en form for koherent, ikke-destruktiv registrering og ophobning af information på tværs af flere elektroner. Analysen viser ifølge forslaget også, at selv én elektron kan skabe en målbar excitation i en qubit.

Hvorfor kan det løse et centralt problem i elektronmikroskopi?

Atomopløst billeddannelse kræver ofte mange elektroner, fordi billedets signal skal kunne skelnes fra støj. Det skaber et grundlæggende dilemma: Flere elektroner kan give et tydeligere billede, men øger samtidig strålingsbelastningen på prøven.

Det gælder især isolerede proteiner og andet følsomt biologisk materiale. Hvis den nødvendige dosis bliver for høj, kan elektronerne ændre eller ødelægge molekylets struktur, før der er indsamlet tilstrækkelig information.

Den kvantemekaniske strategi forsøger at forbedre forholdet mellem information og elektrondosis. Sammenfiltringen mellem elektron og ion kan bevare kvanteinformation om elektronens møde med prøven, mens kvanteoperationer mellem de efterfølgende elektroner gør det muligt at samle information koherent – i stedet for kun at lægge uafhængige målinger sammen på klassisk vis.

Det forventede resultat er derfor et mere dosiseffektivt elektronmikroskop. Det betyder ikke, at prøven bliver helt upåvirket, eller at elektroner ikke længere kan forårsage skader. Fordelen skal i stedet komme af, at der forhåbentlig kræves færre elektroner for at opnå den ønskede information.

Hvem står bag projektet?

TU Wien, Wiens tekniske universitet, leder den mikroskopirelaterede indsats. Universitetet beskriver konceptet som integrationen af en lille kvantecomputer direkte i et elektronmikroskop.

Det teoretiske fortryk fra januar 2026 omfatter forskere med tilknytning til TU Wien, Universität Wien, JKU Linz og Universität Innsbruck. Samarbejdet samler dermed ekspertise inden for elektronmikroskopi, kvanteteori, indfangede ioner og kvanteinformationsprotokoller.

Den tilgængelige dokumentation peger på, at Universität Wien bidrager til arbejdet med kvanteelektroner og mikroskopi, mens JKU Linz bidrager med teoretisk og kvantevidenskabelig ekspertise. Universität Innsbruck forbindes med kompetencer inden for kvantecomputere baseret på indfangede ioner. Kilderne dokumenterer dog ikke en mere detaljeret arbejdsdeling, så en præcis opgørelse af hvert teams ansvar ville være spekulativ.

Projektet indgår i Østrigs kvanteforskningsøkosystem quantA – et såkaldt Cluster of Excellence. Her står projektet "QCEM: Quantum-Computer-Enhanced Electron Microscopy" opført med Thomas Juffmann som hovedansvarlig og Philipp Haslinger, Iva Březinová, Philipp Schindler og Richard Küng som medansvarlige.

Fra teori til eksperiment

Forslaget fra januar 2026 beskriver arkitekturen og analyserer, om den kan lade sig gøre. Arbejdet bevæger sig nu i retning af eksperimentel konstruktion, hvor målet er at omsætte grænsefladen mellem elektroner og ioner samt den sekventielle kvantebehandling til faktisk laboratorieudstyr. De tilgængelige kilder dokumenterer dog ikke et færdigt, fungerende instrument.

Projektet indgår i et bredere finansieringsprogram med støtte fra blandt andre den østrigske videnskabsfond FWF og Gordon and Betty Moore Foundation. Moore Foundation oplyser om en bevilling på 3.836.032 dollar over 48 måneder til Universität Wien til integration af kvantecomputere og elektronmikroskopi.

De afgørende prøver kommer først, når systemet bygges og testes i praksis. Forskerne skal blandt andet vise, om sammenhængen mellem elektroner og ioner overlever realistiske mikroskopforhold, om fejl i ionhukommelsen og kvanteportene kan holdes tilstrækkeligt lave, og om en eventuel dosereduktion også gælder ujævne og strålefølsomme prøver – ikke kun idealiserede modeller.

Indtil da er der tale om et lovende teoretisk design, ikke et dokumenteret proteinmikroskop i drift.