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Un computer quantistico entra nel microscopio: ecco cosa cambia
Un gruppo della TU Wien, insieme alle università di Vienna, Linz e Innsbruck, ha sviluppato un metodo per collegare un microscopio elettronico a un computer quantistico. L'obiettivo è ottenere immagini più informative usando meno elettroni, così da ridurre il danno ai campioni delicati. Il progetto sfrutta informazioni quantistiche che il normale conteggio delle particelle lascia inutilizzate. La costruzione dello strumento è in corso a Vienna.
Il problema nasce dal modo in cui si osservano gli oggetti più piccoli. Philipp Haslinger, dell'Istituto di fisica atomica e subatomica della TU Wien, spiega che i microscopi moderni distinguono dettagli su scala atomica, ma richiedono molti elettroni. Questa esposizione può danneggiare materiali biologici come le singole proteine: raccogliere più segnale rischia quindi di compromettere proprio la struttura che si vuole studiare.
La soluzione proposta da Elias Pescoller, primo autore del lavoro, prevede di far interagire gli elettroni del fascio con ioni intrappolati, mantenuti lungo il loro percorso. Gli ioni costituiscono il sistema di qubit del computer. L'interazione può creare entanglement quantistico: elettrone e ione condividono uno stato quantistico, permettendo di conservare nello ione informazioni associate all'elettrone. Il processore diventa così parte del processo di misura.
Dopo il primo elettrone ne arriva un altro, che interagisce a sua volta con il computer. Attraverso operazioni opportunamente scelte, il sistema può combinare le informazioni accumulate da più particelle, come spiega il ricercatore Dennis Rätzel. Gli algoritmi quantistici necessari sono stati sviluppati con il gruppo di Johannes Kofler alla JKU Linz. Questa collaborazione accademica si inserisce nel panorama delle competenze descritto nella nostra analisi sulle prospettive europee del calcolo quantistico.
La conseguenza concreta sarebbe recuperare dettagli altrimenti nascosti dal rumore usando una dose minore di elettroni. Secondo Iva Březinová, dell'Istituto di fisica teorica della TU Wien, l'elaborazione dell'informazione quantistica può trasformare in un segnale distinguibile ciò che apparirebbe casuale nel conteggio convenzionale. Per chi segue l'hardware, è un'applicazione della computazione quantistica direttamente alla qualità delle misure: i qubit potrebbero rendere più efficace uno strumento utilizzato per esplorare strutture microscopiche.
L'integrazione viene preparata presso USTEM, il centro della TU Wien dedicato alla microscopia elettronica a trasmissione. Il computer quantistico a ioni destinato allo strumento è stato sviluppato dal gruppo di Philipp Schindler all'Università di Innsbruck. Il progetto mette quindi insieme il fascio elettronico, il sistema che conserva l'informazione quantistica e le operazioni necessarie a elaborarla prima di ricavare il segnale utile.
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