Квантовый процессор встроили в электронный микроскоп: физики научились считывать структуру биомолекул без радиационного разрушения

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения позволяет различать отдельные атомы в кристаллической решетке твердых тел. Однако при переносе этого метода в молекулярную биологию ученые сталкиваются с физическим препятствием: электроны разрушают исследуемый объект.

Органические молекулы — белки, нуклеиновые кислоты, мембранные комплексы и вирусы — состоят из легких химических элементов. Когда быстрый электрон из пучка микроскопа проходит сквозь такой образец, происходит процесс неупругого рассеяния. Электрон передает часть своей энергии атомам мишени, что приводит к ионизации молекулы, разрыву углеродных связей, локальному нагреву и мгновенной потере трехмерной структуры.

В современной криоэлектронной микроскопии этот барьер обходят с помощью статистического усреднения. Исследователи мгновенно замораживают тысячи одинаковых молекул в тонком слое аморфного льда, делают снимки каждой из них при минимальной интенсивности излучения, а затем с помощью алгоритмов совмещают зашумленные двумерные проекции в единую трехмерную модель.

У этого метода есть фундаментальное ограничение: он работает только с жесткими, одинаковыми структурами. Если биологический комплекс уникален, находится в процессе химической реакции или обладает высокой подвижностью, метод усреднения бесполезен. Чтобы получить прямое изображение нестабильного одиночного объекта, необходимо извлечь максимально возможный объем физической информации из взаимодействия с каждым отдельным электроном.

Группа физиков из Венского технического университета, Университета Инсбрука и их коллеги из Германии предложили решение этой проблемы. Они разработали теоретический и инженерный протокол, связывающий свободные электроны в колонне микроскопа с квантовым процессором на базе захваченных ионов.

Физика фазового контраста и барьер классической статистики

Биологические микрообъекты практически прозрачны для электронов: они почти не поглощают частицы и слабо меняют их интенсивность. Такие структуры в физике называют слабофазовыми объектами.

Электрон обладает не только свойствами частицы, но и свойствами волны. Проходя сквозь электростатический потенциал атомов образца, волна электрона незначительно замедляется. В результате на выходе из образца фронт электронной волны приобретает пространственный фазовый сдвиг, несущий в себе информацию о форме, толщине и плотности исследуемой молекулы.

Задача микроскопа заключается в том, чтобы зафиксировать этот фазовый сдвиг. В классической электронной микроскопии частицы генерируются катодом независимо друг от друга. Попадание таких независимых электронов на детектор подчиняется законам классической статистики:

• Стандартный квантовый предел. Погрешность измерения фазы уменьшается обратно пропорционально квадратному корню из общего числа использованных электронов.
• Цена повышения точности. Чтобы увеличить четкость изображения и уменьшить погрешность в десять раз, через образец необходимо пропустить в сто раз больше электронов.

Для органического образца такое увеличение плотности потока означает радиационное разрушение.

Квантовая метрология дает иной способ масштабирования:

• Предел Гейзенберга. Если электроны взаимодействуют с квантовой системой когерентно, погрешность измерения фазы уменьшается обратно пропорционально самому числу частиц, а не его квадратному корню.
• Квантовый выигрыш. Для десятикратного увеличения точности требуется увеличить число электронов ровно в десять раз.

Переход от классического предела к пределу Гейзенберга позволяет радикально снизить радиационную нагрузку на биологический препарат при сохранении требуемого контраста.

Устройство системы: ионная ловушка внутри колонны микроскопа

Чтобы реализовать квантовое накопление информации, физики предложили встроить в вакуумную колонну электронного микроскопа планарную ловушку Пауля — тип радиочастотной ловушки, удерживающей заряженные частицы в свободном пространстве над поверхностью микрочипа.

Чип размещается в плоскости, которая оптически сопряжена с плоскостью исследуемого образца. В ловушке над поверхностью электродов на высоте около ста микрометров удерживается цепочка положительно заряженных ионов кальция-40.

Квантовая система отдельного иона кальция в ловушке включает два уровня описания:

1. Внутренний квантовый бит (кубит). Информация кодируется в электронных уровнях энергии иона. В качестве логических состояний нуля и единицы используются основное состояние и метастабильный долгоживущий энергетический уровень валентного электрона. Переход между ними возбуждается узкополосными импульсами оптического лазера.
2. Квантованное колебательное движение. Центр масс иона удерживается в параболическом электрическом потенциале ловушки и совершает гармонические колебания с частотой от пятисот килогерц до пяти мегагерц. Энергия этого движения также квантована и разделена на дискретные колебательные уровни.

Электронная оптика микроскопа настраивается таким образом, чтобы пучок электронов проходил через окно в чипе ловушки в непосредственной близости от колеблющегося иона.

Механизм стробоскопического кулоновского взаимодействия

Связь между свободным электроном, летящим со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, и покоящимся ионом возникает за счет фундаментального электростатического отталкивания Кулона.

Главная физическая особенность процесса — разделение временных масштабов:

• Время пролета электрона через зону взаимодействия составляет несколько фемтосекунд (одна фемтосекунда равна одной миллионной миллиардной доли секунды).
• Период механических колебаний иона в ловушке составляет сотни наносекунд (на пять порядков дольше).

За время пролета электрона ион не успевает сместиться в пространстве. Взаимодействие происходит в стробоскопическом режиме: электрон воспринимает ион как неподвижный пространственный объект.

Процесс передачи квантового состояния проходит три последовательные фазы:

1. Создание пространственной суперпозиции. До пролета электрона физики воздействуют на ион лазерными импульсами, переводя колебания его центра масс в суперпозицию двух пространственно разделенных состояний. Ион одновременно находится со смещением вправо и влево относительно центра ловушки на расстояние в несколько десятков нанометров. Это механическое движение квантово запутывается с внутренним электронным состоянием кубита.
2. Индукция фазового сдвига. Сфокусированный электрон проходит через ловушку. Поскольку электрон пролетает ближе к одной из двух пространственных компонент суперпозиции иона, электростатическое поле действует на них с разной силой. Это накладывает разность фаз на состояние колебаний иона. Величина сдвига напрямую зависит от расстояния между траекторией электрона и центром ловушки.
3. Преобразование в состояние кубита. После пролета электрона второй лазерный импульс сводит разделенные пространственные компоненты иона обратно. Накопленная механическая разность фаз автоматически переводится во вращение квантового состояния кубита: меняется вероятность обнаружить валентный электрон на возбужденном уровне.

Расчеты авторов показали, что для медленных электронов с энергией от ста электронвольт до одного килоэлектронвольта вероятность изменения состояния кубита при пролете единственного электрона достигает значений от десяти до ста процентов. Это означает возникновение сильной и надежной квантовой связи.

Схема квантового интерферометра и измерение образца

Чтобы перенести информацию со слабофазового биологического объекта в квантовую память иона, исследователи разработали специальный интерферометрический цикл.

1. Разделение волновой функции. Волновой пакет электрона направляется на дифракционную решетку, разделяющую его на два пространственных пути.
2. Параллельное взаимодействие. На первом пути электрон проходит через ловушку Пауля и запутывается с ионом кальция. На втором пути электрон проходит сквозь исследуемый биологический препарат и приобретает фазовый сдвиг, пропорциональный структуре образца в данной точке.
3. Интерференция и детектирование. Оба пути сводятся вместе, и электрон попадает на классический координатно-чувствительный детектор, измеряющий его поперечный импульс.
4. Квантовая обратная связь. В зависимости от того, в какую точку детектора попал электрон, система подает быстрый лазерный импульс на ион. Этот импульс компенсирует случайный геометрический сдвиг и закрепляет фазовую информацию об образце во внутреннем состоянии кубита.

Главное преимущество схемы раскрывается при повторении цикла. Когда второй электрон проходит через тот же участок образца и взаимодействует с тем же ионом, полученный им фазовый сдвиг не усредняется статистически, а когерентно прибавляется к уже записанному значению.

После прохождения цепочки из определенного числа электронов квантовое состояние кубита содержит в себе суммарный фазовый сдвиг, прямо пропорциональный этому числу. Математический анализ через квантовую информацию Фишера подтверждает: объем извлекаемых данных растет пропорционально квадрату числа электронов. Достигается предельная метрологическая точность, разрешенная законами физики, при минимально возможном повреждении биологической ткани.

Устойчивость к потерям частиц в реальном эксперименте

В реальном электронном микроскопе часть электронов неизбежно теряется: рассеивается на стенках диафрагм, поглощается держателем или не регистрируется детектором.

Потеря электрона, запутавшегося с ионом, приводит к квантовой декогеренции: чистое квантовое состояние иона превращается в статистическую смесь, и накопленная фаза может быть утрачена.

Авторы статьи проанализировали поведение системы при наличии потерь и выявили следующие закономерности:

• При максимальной силе квантового зацепления потеря даже одной частицы обнуляет накопленные фазовые данные, что требует перезапуска измерительного цикла. В этом случае существует строгое оптимальное число электронов для одной пачки измерений, зависящее от вероятности потерь в приборе.
• Если намеренно снизить силу взаимодействия электрона с ионом (создавать частичное запутывание), система приобретает устойчивость к единичным сбоям. Потеря электрона снижает контраст сигнала, но сохраняет накопленную ранее фазовую информацию.
• Квантовое преимущество перед классической микроскопией сохраняется вплоть до уровня потерь частиц около тридцати процентов.

Инженерная реализация: интеграция в микроскоп

Размещение квантового процессора внутри серийного просвечивающего микроскопа требует решения ряда конструктивных задач.

Микрочип с оптическими волноводами

Расстояние между магнитными полюсными наконечниками линз электронного микроскопа составляет от двух до пяти миллиметров. В таком объеме невозможно разместить стандартные линзы и зеркала для управления ионами.

Решение состоит в использовании плоского кремниевого чипа размером пятнадцать на двадцать пять миллиметров. В структуру чипа встроены не только металлические электроды радиочастотной ловушки, но и фотонные интегральные схемы. Лазерное излучение подается по оптоволокнам, прикрепленным к торцу чипа, и распространяется по внутренним диэлектрическим волноводам. Напротив ионов расположены дифракционные решетки, которые выводят лазерный луч из плоскости чипа и фокусируют его точно на ионе.

Синхронизация с переменным полем ловушки

Ловушка Пауля удерживает ионы переменным электрическим полем с напряжением до пятидесяти вольт на частоте около двадцати мегагерц. Такое сильное поперечное поле способно отклонить зондирующий электронный луч и нарушить работу оптической системы микроскопа.

Для компенсации этого эффекта пролет электронов строго синхронизируют с радиочастотным генератором ловушки. Источник микроскопа формирует фемтосекундные импульсы электронов, которые проходят через ловушку в моменты, когда синусоидальное переменное напряжение переходит через ноль. В эти моменты напряженность электрического поля равна нулю, и электрон пролетает зону удержания без искажения траектории.

Сверхвысокий вакуум

Время сохранения квантового состояния иона ограничено его столкновениями с молекулами остаточного газа. Для стабильной работы кубита требуется давление не выше одной миллиардной доли миллибара.

Для достижения таких условий стандартную вакуумную систему микроскопа усиливают локальными нераспыляемыми геттерными насосами и криогенным экраном с жидким азотом, расположенным непосредственно вокруг держателя образца.

Сравнение классического и квантового подходов

Применение в многопроходных резонаторах и физике пучков

Описанный принцип неразрушающего считывания открывает перспективы для многопроходной электронной микроскопии. В многопроходных микроскопах электрон удерживается в пространстве между электростатическими зеркалами и проходит сквозь исследуемый образец многократно, усиливая фазовый сдвиг с каждым проходом.

В существующих прототипах многопроходных микроскопов для считывания накопленного сигнала электрон необходимо вывести за пределы резонатора и направить на детектор, где он неизбежно поглощается. Ионный квантовый интерфейс меняет эту схему: электрон может передавать часть накопленной фазовой информации в квантовый регистр на каждом обороте внутри резонатора, продолжая движение.

Предложенная концепция универсальна. Уравнения, описывающие взаимодействие свободного быстрого заряда с колебаниями иона в ловушке, справедливы не только для электронов, но и для других заряженных частиц: сфокусированных пучков ионов, позитронов или протонов высокой энергии.

Интеграция квантовых процессоров в электронную оптику превращает квантовые системы из изолированных вычислительных устройств в прецизионные измерительные приборы. Это дает возможность исследовать нестабильные биологические макромолекулы в их естественном состоянии при физически минимальных дозах облучения.

Источник: arXiv