Il microscopio quantistico
Una nuova invenzione è destinata a migliorare in modo significativo la microscopia elettronica
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I microscopi elettronici vengono utilizzati ovunque sia necessario ottenere immagini di dettagli particolarmente piccoli. Tuttavia, da un punto di vista strettamente fisico, ogni elettrone in un microscopio elettronico convenzionale rappresenta un’occasione persa: se ci si limita a contare gli elettroni, qualsiasi informazione quantistica aggiuntiva da essi veicolata rimane inutilizzata.
Un microscopio elettronico in grado di eseguire operazioni di calcolo quantistico utilizzando trappole ioniche integrate
© TU Wien
Un gruppo della TU Wien, in collaborazione con gruppi dell’Università di Vienna, della JKU di Linz e dell’Università di Innsbruck, ha ora sviluppato un modo per sfruttare le informazioni quantistiche trasportate dagli elettroni in un microscopio elettronico: il fascio di elettroni viene accoppiato a un computer quantistico, aprendo possibilità del tutto nuove per lavorare con le informazioni quantistiche degli elettroni. Ciò è particolarmente importante per campioni sensibili che non possono essere bombardati con un numero arbitrariamente elevato di elettroni. Il microscopio elettronico con computer quantistico è attualmente in fase di realizzazione presso la TU Wien.
Entanglement quantistico controllato
La risoluzione ottenibile con i moderni microscopi elettronici è notevole: «Oggi siamo in grado di visualizzare minuscoli dettagli su scala atomica», afferma Philipp Haslinger dell’Istituto di Fisica Atomica e Subatomica della TU Wien. «Tuttavia, ciò richiede un gran numero di elettroni. E non tutti i campioni possono essere esposti a così tanti elettroni senza subire danni. Questo rappresenta spesso un problema, in particolare quando si ottengono immagini di campioni biologici come le singole proteine».
Se, tuttavia, fosse possibile estrarre da ogni singolo elettrone più informazioni rispetto al passato, basterebbe un numero minore di elettroni. Il team ha ora individuato un metodo per ottenere proprio questo: «La nostra idea è quella di combinare gli elettroni con un computer quantistico. Li facciamo interagire con ioni che vengono mantenuti in posizione lungo il percorso del fascio di elettroni», spiega Elias Pescoller, primo autore della pubblicazione e dottorando presso l’Istituto di Fisica Teorica e l’Istituto di Fisica Atomica e Subatomica dell’Università Tecnica di Vienna. «Questo può, ad esempio, creare un intreccio quantistico tra l’elettrone e il computer quantistico. L’elettrone e lo ione condividono quindi uno stato quantistico comune».
Un segnale più nitido di quanto consenta la fisica classica
Lo ione nel computer quantistico ora trasporta informazioni sull’elettrone – e poco dopo, l’elettrone successivo passa di lì e viene a sua volta intrecciato con il computer quantistico. «Se ogni volta eseguiamo operazioni di calcolo quantistico molto specifiche, possiamo combinare in modo ottimale le informazioni provenienti da diversi elettroni, in modo da ottenere un segnale di massima intensità anche se utilizziamo solo un numero relativamente esiguo di elettroni», spiega Dennis Rätzel dell’Istituto di Fisica Atomica e Subatomica dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien). Gli algoritmi che rendono possibile tutto ciò sono stati sviluppati in collaborazione con il team di Johannes Kofler presso la JKU di Linz.
«Gli elettroni stessi vengono utilizzati per visualizzare piccoli oggetti, proprio come in qualsiasi altro microscopio elettronico. Ma elaborando le informazioni quantistiche trasportate da questi elettroni in un computer quantistico, possiamo estrarre molte più informazioni dal processo», afferma Iva Březinová dell’Istituto di Fisica Teorica dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien). «Ciò che in precedenza sarebbe stato indistinguibile da un rumore casuale può così diventare un segnale chiaro».
La fisica quantistica offre in questo ambito possibilità che sarebbero fondamentalmente irraggiungibili senza effetti quantistici, ricorrendo al conteggio puramente classico degli elettroni. «La fisica quantistica ci permette di superare i limiti statistici che vincolano i microscopi elettronici convenzionali», afferma Elias Pescoller.
Prossimo passo: gli esperimenti
Il team è riuscito a dimostrare matematicamente i vantaggi offerti dal nuovo metodo. Il prossimo passo è l’implementazione sperimentale: presso il Centro di Servizi Universitari per la Microscopia Elettronica a Trasmissione (USTEM) del Politecnico di Vienna, un computer quantistico a ioni sviluppato dal team di Philipp Schindler dell’Università di Innsbruck verrà ora integrato in un microscopio elettronico.
«È davvero entusiasmante che, nell’ambito del Cluster di Eccellenza quantA, possiamo unire le competenze in materia di informazione quantistica, calcolo quantistico e microscopia elettronica disponibili presso le diverse università austriache. Questo ci permette di avviare un progetto unico nel suo genere», afferma Thomas Juffmann dell’Università di Vienna.
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