Resumen:
Varios equipos de investigación científica en Austria han propuesto recientemente y están verificando una solución técnica innovadora: al integrar directamente una pequeña computadora cuántica con trampa de iones en un microscopio electrónico, el efecto de entrelazamiento cuántico se utiliza para extraer completamente la información cuántica transportada por los electrones, reduciendo así significativamente el daño por radiación a muestras frágiles y mejorando significativamente la claridad de las imágenes microscópicas.
Se espera que este proyecto, llevado a cabo conjuntamente por la Universidad Técnica de Viena, la Universidad de Viena, la Universidad Johann Kepler de Linz y la Universidad de Innsbruck, elimine por completo las dificultades de obtención de imágenes que enfrentan los microscopios electrónicos tradicionales al observar muestras frágiles como las macromoléculas biológicas.
En las imágenes de microscopía electrónica convencional, los investigadores a menudo se enfrentan a contradicciones irreconciliables. Obtener imágenes claras con alto contraste y bajo ruido a menudo requiere aumentar la dosis de electrones que penetran en la muestra, pero esto puede dañar fácilmente materiales biológicos extremadamente sensibles, como las moléculas de proteínas. Si la cantidad de bombardeo de electrones se reduce deliberadamente para proteger la muestra, la débil señal de imagen será fácilmente abrumada por el ruido aleatorio. Los microscopios tradicionales sólo tratan a los electrones como partículas contables que golpean un detector, descartando directamente la gran cantidad de información cuántica adicional que transportan los propios electrones.
Para solucionar esta limitación física, el equipo de investigación diseñó un nuevo mecanismo de acoplamiento cuántico. Cuando el haz de electrones pasa a través del microscopio y viaja en la trayectoria óptica, los investigadores los guían para que tengan una interacción controlada con los iones que han sido capturados y fijados de antemano, de modo que los electrones que penetran en la muestra se enreden cuánticamente con la computadora cuántica de trampa de iones, y la información del estado de la muestra transportada por los electrones se conserva completamente en los iones. Cuando los electrones subsiguientes pasan uno tras otro y se enredan nuevamente con el sistema, la computadora cuántica ejecutará operaciones algorítmicas especialmente diseñadas para combinar de manera óptima la información cuántica de múltiples electrones, convirtiendo las señales débiles que originalmente eran irreconocibles bajo mediciones estadísticas clásicas en imágenes efectivas con alto contraste, rompiendo así los límites estadísticos de los microscopios electrónicos tradicionales en los niveles matemático y físico.
Las ventajas teóricas de este esquema han sido confirmadas previamente mediante rigurosas pruebas matemáticas. Actualmente, el equipo de investigación está construyendo y verificando experimentalmente el primer sistema prototipo en el Centro de Servicios Universitarios de Microscopía Electrónica de Transmisión de la Universidad Técnica de Viena, integrando con precisión el hardware informático cuántico basado en iones desarrollado por la Universidad de Innsbruck con la entidad del microscopio electrónico de transmisión. Si la verificación experimental posterior cumple con las expectativas teóricas, esta tecnología de fusión permitirá observar la estructura fina de proteínas frágiles individuales y muestras biológicas en un estado no destructivo, abriendo un nuevo camino de observación microscópica para la biología estructural y la ciencia de los nanomateriales.
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