Le microscope quantique
Une nouvelle invention devrait permettre d'améliorer considérablement la microscopie électronique
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Les microscopes électroniques sont utilisés partout où il est nécessaire d’observer des détails particulièrement infimes. Mais d’un point de vue strictement physique, chaque électron dans un microscope électronique classique représente une occasion manquée : si l’on se contente de compter les électrons, toute information quantique supplémentaire qu’ils transportent reste inexploitée.
Un microscope électronique capable d'effectuer des opérations de calcul quantique à l'aide de pièges à ions intégrés
© TU Wien
Une équipe de l'Université technique de Vienne (TU Wien), en collaboration avec des équipes de l'Université de Vienne, de l'Université Johannes Kepler de Linz (JKU) et de l'Université d'Innsbruck, a désormais mis au point un moyen d'exploiter l'information quantique transportée par les électrons dans un microscope électronique : le faisceau d'électrons est couplé à un ordinateur quantique, ce qui ouvre des possibilités entièrement nouvelles pour travailler avec l'information quantique des électrons. Cela revêt une importance particulière pour les échantillons sensibles qui ne peuvent pas être bombardés d’un nombre arbitrairement élevé d’électrons. Le microscope électronique à ordinateur quantique est actuellement en cours de construction à l’Université technique de Vienne.
Intrication quantique contrôlée
La résolution que permettent d’atteindre les microscopes électroniques modernes est remarquable : « Aujourd’hui, nous pouvons visualiser des détails infimes à l’échelle atomique », explique Philipp Haslinger, de l’Institut de physique atomique et subatomique de l’Université technique de Vienne. « Cela nécessite toutefois un grand nombre d’électrons. Or, tous les échantillons ne peuvent pas être exposés à une telle quantité d’électrons sans être endommagés. C’est souvent un problème, en particulier lors de l’imagerie d’échantillons biologiques tels que des protéines individuelles. »
Si, toutefois, l’on parvient à extraire davantage d’informations de chaque électron qu’auparavant, un nombre plus restreint d’électrons suffit. L’équipe a désormais mis au point une méthode permettant précisément d’y parvenir : « Notre idée consiste à associer les électrons à un ordinateur quantique. Nous les faisons interagir avec des ions maintenus en place le long du trajet du faisceau d’électrons », explique Elias Pescoller, premier auteur de la publication et doctorant à l’Institut de physique théorique et à l’Institut de physique atomique et subatomique de l’Université technique de Vienne (TU Wien). « Cela permet, par exemple, de créer un enchevêtrement quantique entre l’électron et l’ordinateur quantique. L’électron et l’ion partagent alors un état quantique commun. »
Un signal plus clair que ne le permet la physique classique
L’ion présent dans l’ordinateur quantique porte désormais des informations sur l’électron – et peu après, l’électron suivant passe à proximité et se retrouve lui aussi intriqué avec l’ordinateur quantique. « Si nous effectuons à chaque fois des opérations de calcul quantique très spécifiques, nous pouvons combiner de manière optimale les informations provenant de plusieurs électrons afin d’obtenir un signal d’intensité maximale, même si nous n’utilisons qu’un nombre relativement faible d’électrons », explique Dennis Rätzel, de l’Institut de physique atomique et subatomique de l’Université technique de Vienne. Les algorithmes qui rendent cela possible ont été développés en collaboration avec l’équipe de Johannes Kofler à l’université Johannes Kepler de Linz (JKU).
« Les électrons eux-mêmes servent à visualiser de petits objets, comme dans n’importe quel autre microscope électronique. Mais en traitant l’information quantique véhiculée par ces électrons dans un ordinateur quantique, nous pouvons extraire nettement plus d’informations de ce processus », explique Iva Březinová, de l’Institut de physique théorique de l’Université technique de Vienne. « Ce qui, auparavant, aurait été impossible à distinguer d’un bruit aléatoire peut ainsi devenir un signal clair. »
La physique quantique offre ici des possibilités qui seraient fondamentalement inaccessibles sans effets quantiques, en se contentant d’un comptage purement classique des électrons. « La physique quantique nous permet de dépasser les limites statistiques qui restreignent les microscopes électroniques conventionnels », explique Elias Pescoller.
Prochaine étape : les expériences
L’équipe a pu démontrer mathématiquement les avantages offerts par cette nouvelle méthode. La prochaine étape consiste en la mise en œuvre expérimentale : au Centre de services universitaires pour la microscopie électronique à transmission (USTEM) de l’Université technique de Vienne, un ordinateur quantique à base d’ions développé par l’équipe de Philipp Schindler à l’Université d’Innsbruck va désormais être intégré à un microscope électronique.
« C’est vraiment passionnant que, au sein du pôle d’excellence quantA, nous puissions combiner l’expertise en information quantique, en informatique quantique et en microscopie électronique disponible dans les différentes universités autrichiennes. Cela nous permet de lancer un projet unique », déclare Thomas Juffmann, de l’université de Vienne.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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