Điều gì xảy ra khi kết hợp kính hiển vi điện tử với máy tính lượng tử?

Philipp Haslinger, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Nguyên tử và Hạ nguyên tử của TU Wien cho biết, kính hiển vi hiện đại đã có thể tạo ảnh ở cấp độ nguyên tử nhưng thường cần rất nhiều electron. Đây là vấn đề đặc biệt với những mẫu sinh học không chịu được liều electron cao.

Kính hiển vi điện tử có khả năng thực hiện các phép toán điện toán lượng tử bằng cách sử dụng bẫy ion tích hợp. Nguồn: TU Wien

Ý tưởng mới vì vậy không đơn giản là làm chùm electron mạnh hơn. Mục tiêu là làm cho mỗi electron trở nên “có giá trị” hơn về mặt thông tin.

Trung tâm của thiết kế là một máy tính lượng tử sử dụng các ion bị giữ cố định trong bẫy. Khi một electron đi qua hệ thống, nó có thể tương tác với một ion. Quá trình này có thể tạo ra hiện tượng vướng víu lượng tử (quantum entanglement) giữa electron và ion.

Mỗi electron đi qua mẫu vật mang theo nhiều thông tin hơn các công nghệ hiện tại có thể thu nhận được.

Elias Pescoller, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích rằng electron và ion sau tương tác có thể chia sẻ một trạng thái lượng tử chung. Điều này mở ra khả năng sử dụng máy tính lượng tử như một bộ nhớ và bộ xử lý cho thông tin mà electron mang theo.

Dennis Rätzel, nhà nghiên cứu tại TU Wien cho biết, các phép toán lượng tử được thiết kế phù hợp có thể kết hợp thông tin từ nhiều electron để tạo ra tín hiệu mạnh nhất dù tổng số electron sử dụng tương đối nhỏ.

Điểm hấp dẫn nhất của phương pháp nằm ở khả năng xử lý những tín hiệu vốn bị xem là nhiễu.

Trong kính hiển vi điện tử truyền thống, nếu tín hiệu quá yếu so với nhiễu thống kê, việc phân biệt chúng có thể rất khó khăn. Cách tiếp cận mới tìm cách khai thác thêm thông tin lượng tử của electron để vượt qua một số giới hạn thống kê của phương pháp đo thông thường.

Thông qua máy tính lượng tử, các thông tin trước đây bị xem là nhiễu có thể được dùng để tái tạo hình ảnh rõ nét hơn.

Iva Březinová, thuộc Viện Vật lý lý thuyết của TU Wien cho biết, electron vẫn thực hiện nhiệm vụ tạo ảnh như trong kính hiển vi điện tử thông thường. Điểm khác biệt là thông tin lượng tử vốn có trong những electron đó được đưa vào máy tính lượng tử để xử lý.

Theo nhóm nghiên cứu, những tín hiệu trước đây không thể phân biệt với nhiễu có thể trở thành tín hiệu rõ ràng.

Điều này đặc biệt có ý nghĩa với sinh học cấu trúc. Các nhà khoa học muốn quan sát protein và những cấu trúc phân tử cực kỳ nhỏ, nhưng càng tăng số electron để có ảnh rõ thì nguy cơ làm hỏng mẫu càng lớn.

Nếu có thể thu được lượng thông tin tương đương bằng ít electron hơn, giới hạn này sẽ được nới rộng đáng kể.

Dù ý tưởng rất ấn tượng, công nghệ hiện vẫn đang ở giai đoạn đầu. Công trình được công bố dưới dạng nghiên cứu trên arXiv vào tháng 1/2026.

Bước tiếp theo mới là quan trọng nhất đó là biến nguyên lý đó thành một thiết bị thực sự. Nếu thí nghiệm thành công, đây sẽ là một cách tiếp cận hoàn toàn mới đối với kính hiển vi điện tử, không nhất thiết phải sử dụng nhiều electron hơn để nhìn rõ hơn, mà tìm cách lấy được nhiều thông tin hơn từ từng electron.

Nguyên tử thực sự trông như thế nào dưới kính hiển vi?