Ett elektronmikroskop med inbyggd kvantdator ska få ut mer information ur varje elektron

En kvantdator som minne för elektroner

Vanliga elektronmikroskop behöver ofta registrera många elektroner för att bygga upp en tydlig bild. Problemet är att elektronerna inte bara bär information – de kan också överföra energi till provet och skada det. För biologiskt material, exempelvis isolerade proteiner, kan den stråldos som krävs för hög upplösning förändra eller förstöra strukturen som forskarna vill undersöka.

Det nya förslaget, som presenterades i januari 2026, går ut på att koppla de fria elektronerna i mikroskopet till en kvantdator med fångade joner. Kvantdatorn ska då inte främst användas för att räkna ut en bild i efterhand, utan som ett kvantminne och en bearbetningsenhet som tar emot information från elektronerna medan mätningen pågår.

Så är systemet tänkt att fungera

• När en elektron passerar genom mikroskopet och påverkas av provet ska den interagera koherent med en eller flera fångade joner. Elektronens och jonens kvanttillstånd blir då korrelerade – i idealfallet sammanflätade. Information om hur elektronen påverkades av provet kan därmed överföras till jonerna.

• I stället för att mäta och kasta bort varje elektron direkt ska jonregistret behålla den kvantinformation som har samlats in. När nästa elektron anländer kan kvantgrindar utföras på jonerna för att kombinera, omforma eller skydda informationen från den föregående elektronen.

• Efter flera sådana steg sker en slutlig avläsning av jonregistret. Tanken är alltså att information från flera elektroner ska kunna byggas upp koherent, snarare än att varje elektron endast behandlas som en oberoende klassisk mätning.

Forskarna analyserar också om en enda elektron kan skapa en mätbar excitation i en qubit. Det är centralt för idén, eftersom varje elektron då potentiellt kan bidra med mer användbar information än i en traditionell mätkedja.

Varför detta kan minska stråldosen

I konventionell atomupplöst elektronmikroskopi förbättras den statistiska precisionen vanligtvis när antalet elektroner ökar. Men varje extra elektron kan bidra till jonisering, radiolys och andra förändringar i provet. För ett känsligt biologiskt material uppstår därför en svår avvägning: fler elektroner ger en tydligare signal, men kan samtidigt förstöra det som ska avbildas.

Den kvantmekaniska strategin försöker förbättra mängden information per elektron. Genom elektron–jon-sammanflätning bevaras kvantinformation om elektronens växelverkan med provet. Kvantoperationer mellan successiva elektroner ska sedan göra det möjligt att samla informationen på ett koherent sätt, i stället för att enbart använda vanlig statistisk medelvärdesbildning.

Det är särskilt intressant för enskilda proteiner och annat strålkänsligt biologiskt material. Målet är en mer dos-effektiv elektronmikroskopi: samma typ av bildinformation med färre skadliga elektroner. Det betyder däremot inte att elektron–prov-växelverkan eller provskador försvinner helt.

Ett viktigt förbehåll: ännu ingen färdig proteinbild

Det här är fortfarande en framtidsinriktad forskningsidé. Den teoretiska artikeln beskriver arkitekturen och analyserar om den är genomförbar, men rapporterar inte någon experimentellt bevisad atomupplöst bild av ett enskilt protein.

Nästa avgörande steg blir därför att bygga och testa systemet i laboratoriet. Forskarna måste bland annat visa att koherensen mellan elektroner och joner överlever realistiska mikroskopförhållanden. De behöver också hålla minnes- och grindfel i jonprocessorn tillräckligt låga för att den kvantmekaniska fördelen inte ska försvinna.

Vilka forskargrupper deltar?

TU Wien leder den del av arbetet som är närmast själva mikroskopet och har offentligt beskrivit visionen som en liten kvantdator integrerad direkt i ett elektronmikroskop.

Förslaget har kopplingar till forskare vid TU Wien, Universität Wien, JKU Linz och Universität Innsbruck. Samarbetet förenar därför kompetens inom elektronmikroskopi, kvantteori, fångade joner och kvantinformationsprotokoll.

På en övergripande nivå är Universität Wien förknippat med programmet för kvantelektroner och kvantmikroskopi, JKU Linz med relevant teoretisk och kvantvetenskaplig expertis och Universität Innsbruck med teknik för kvantdatorer baserade på fångade joner. De tillgängliga källorna ger däremot inte stöd för en mer detaljerad uppdelning av varje grupps ansvar.

Projektet ingår i Österrikes kvantvetenskapliga ekosystem quantA, ett så kallat Cluster of Excellence. Där listas projektet QCEM: Quantum-Computer-Enhanced Electron Microscopy, med Thomas Juffmann som huvudansvarig och Philipp Haslinger, Iva Březinová, Philipp Schindler och Richard Küng som medansvariga.

Finansiering och utvecklingsläge

Arbetet har gått från den teoretiska designen i januari 2026 mot experimentell uppbyggnad. Ambitionen är att omsätta gränssnittet mellan elektroner och joner samt protokollet för successiv kvantbearbetning i laboratorieutrustning. Källorna bekräftar däremot inte att ett färdigt, fungerande instrument redan har byggts.

quantA är ett österrikiskt forskningssamarbete med stöd från den österrikiska forskningsfonden FWF. Därtill listar Gordon and Betty Moore Foundation ett anslag på 3 836 032 dollar under 48 månader till Universität Wien för att integrera kvantberäkning med elektronmikroskopi.

Den verkliga prövningen kommer när tekniken möter riktiga prover: fungerar elektron–jon-koherensen under mikroskopets förhållanden, är kvantfelen tillräckligt små och ger metoden faktiskt lägre stråldos för ojämna och strålkänsliga biologiska prover – inte bara för idealiserade testsystem?