El microscopio informático cuántico
Un nuevo invento prometen mejorar considerablemente la microscopía electrónica
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Los microscopios electrónicos se utilizan siempre que es necesario obtener imágenes de detalles especialmente pequeños. Sin embargo, desde un punto de vista estrictamente físico, cada electrón de un microscopio electrónico convencional representa una oportunidad perdida: si lo único que se hace es contar electrones, toda la información cuántica adicional que transportan queda sin aprovechar.
Un microscopio electrónico capaz de realizar operaciones de computación cuántica mediante trampas de iones integradas
© TU Wien
Un equipo de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien), junto con equipos de la Universidad de Viena, la JKU de Linz y la Universidad de Innsbruck, ha desarrollado ahora una forma de aprovechar la información cuántica que transportan los electrones en un microscopio electrónico: el haz de electrones se acopla a un ordenador cuántico, lo que abre posibilidades totalmente nuevas para trabajar con la información cuántica de los electrones. Esto resulta especialmente importante en el caso de muestras sensibles que no pueden ser bombardeadas con un número arbitrariamente elevado de electrones. El microscopio electrónico con ordenador cuántico se está construyendo actualmente en la Universidad Técnica de Viena.
Entrelazamiento cuántico controlado
La resolución que se puede alcanzar con los microscopios electrónicos modernos es extraordinaria: «Hoy en día, podemos obtener imágenes de detalles minúsculos a escala atómica», afirma Philipp Haslinger, del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la Universidad Técnica de Viena. «Sin embargo, esto requiere un gran número de electrones. Y no todas las muestras pueden exponerse a tantos electrones sin sufrir daños. Esto suele ser un problema, sobre todo a la hora de obtener imágenes de muestras biológicas, como proteínas individuales».
Sin embargo, si se puede extraer más información de cada electrón individual que antes, basta con un número menor de electrones. El equipo ha encontrado ahora un método para lograr precisamente esto: «Nuestra idea es combinar los electrones con un ordenador cuántico. Dejamos que interactúen con iones que se mantienen fijos a lo largo de la trayectoria del haz de electrones», explica Elias Pescoller, primer autor de la publicación y doctorando en el Instituto de Física Teórica y en el Instituto de Física Atómica y Subatómica de la Universidad Técnica de Viena. «Esto puede, por ejemplo, crear un entrelazamiento cuántico entre el electrón y el ordenador cuántico. El electrón y el ion comparten entonces un estado cuántico conjunto».
Una señal más clara de lo que permite la física clásica
El ion del ordenador cuántico lleva ahora información sobre el electrón y, poco después, pasa el siguiente electrón, que también se entrelaza con el ordenador cuántico. «Si realizamos cada vez operaciones de computación cuántica muy específicas, podemos combinar de forma óptima la información de varios electrones, de modo que obtengamos una señal de máxima intensidad aunque utilicemos solo un número relativamente pequeño de electrones», explica Dennis Rätzel, del Instituto de Física Atómica y Subatómica de la Universidad Técnica de Viena. Los algoritmos que lo hacen posible se desarrollaron en colaboración con el equipo de Johannes Kofler de la JKU de Linz.
«Los propios electrones se utilizan para obtener imágenes de objetos pequeños, al igual que en cualquier otro microscopio electrónico. Pero al procesar la información cuántica que transportan estos electrones en un ordenador cuántico, podemos extraer mucha más información del proceso», explica Iva Březinová, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena. «Lo que antes habría sido indistinguible del ruido aleatorio puede convertirse así en una señal clara».
La física cuántica ofrece aquí posibilidades que son fundamentalmente inalcanzables sin efectos cuánticos, utilizando el recuento puramente clásico de electrones. «La física cuántica nos permite superar los límites estadísticos que restringen a los microscopios electrónicos convencionales», afirma Elias Pescoller.
Próximo paso: los experimentos
El equipo ha podido demostrar matemáticamente las ventajas que ofrece el nuevo método. El siguiente paso es la implementación experimental: en el Centro de Servicios Universitarios de Microscopía Electrónica de Transmisión (USTEM) de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien), se va a integrar ahora en un microscopio electrónico un ordenador cuántico basado en iones desarrollado por el equipo de Philipp Schindler en la Universidad de Innsbruck.
«Es realmente emocionante que, dentro del Clúster de Excelencia quantA, podamos combinar los conocimientos especializados en información cuántica, computación cuántica y microscopía electrónica disponibles en las diferentes universidades de Austria. Esto nos permite poner en marcha un proyecto único», afirma Thomas Juffmann, de la Universidad de Viena.
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