2026年8月18日——电子显微镜常被用于对极微小细节成像。但从严格的物理学角度来看，传统电子显微镜中的每个电子都意味着一次被错过的机会：如果只是统计电子数量，那么电子所携带的任何额外量子信息都未被利用。

如今，维也纳工业大学（TU Wien）的一个研究团队与维也纳大学、林茨约翰内斯·开普勒大学（JKU Linz）以及因斯布鲁克大学的研究团队合作，开发出一种利用电子显微镜中电子所携量子信息的方法：将电子束与量子计算机耦合，为处理电子的量子信息开辟了全新可能。这对于无法承受任意大量电子轰击的敏感样品尤为重要。目前，这台量子计算机电子显微镜正在维也纳工业大学建造。

可控量子纠缠

现代电子显微镜所能达到的分辨率非常惊人。维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的 Philipp Haslinger 表示：“如今，我们可以在原子尺度上对微小细节成像。但这需要大量电子。并非所有样品都能在不受损的情况下承受如此多的电子。这常常是个难题，尤其是在对单个蛋白质等生物样品成像时。”

然而，如果从每个电子身上提取到的信息比以往更多，那么数量更少的电子就足够了。该团队现已找到一种实现这一目标的方法。该论文的第一作者、维也纳工业大学理论物理研究所和原子与亚原子物理研究所博士生 Elias Pescoller 解释道：“我们的想法是将电子与量子计算机相结合。让电子与沿电子束路径被固定在原位的离子相互作用。例如，这可以在电子与量子计算机之间建立量子纠缠，电子和离子随即共享一个联合量子态。”

比经典物理允许的更清晰信号

此时，量子计算机中的离子携带着有关电子的信息——不久之后，下一个电子经过，同样会与量子计算机纠缠。维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所的 Dennis Rätzel 表示：“如果我们每次都执行非常特定的量子计算操作，就可以最佳地组合多个电子的信息，从而即使只使用相对较少的电子，也能获得最大强度的信号。”实现这一点的算法是与林茨约翰内斯·开普勒大学的 Johannes Kofler 团队合作开发的。

维也纳工业大学理论物理研究所的 Iva Březinová 表示：“电子本身用于对微小物体成像，这与任何其他电子显微镜相同。但通过在量子计算机中处理这些电子携带的量子信息，我们可以从这一过程中提取出多得多的信息。因此，那些以前与随机噪声无法区分的信息，现在可以变成清晰的信号。”

量子物理学在此提供了纯经典电子计数在没有量子效应时根本无法实现的可能性。Elias Pescoller 表示：“量子物理学使我们能够克服传统电子显微镜所受到的统计限制。”

下一步：实验

该团队已从数学上证明了新方法的优势。下一步是实验实施：在维也纳工业大学的大学透射电子显微镜服务中心（USTEM），由因斯布鲁克大学 Philipp Schindler 团队开发的基于离子的量子计算机，将被集成到一台电子显微镜中。

维也纳大学的 Thomas Juffmann 表示：“非常令人兴奋的是，在 quantA 卓越集群内，我们可以汇集奥地利不同大学在量子信息、量子计算和电子显微镜领域的专业知识，从而启动一个独特的项目。”