O microscópio do computador quântico
Uma nova invenção deverá melhorar significativamente a microscopia eletrónica
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Os microscópios eletrónicos são utilizados sempre que é necessário obter imagens de detalhes particularmente pequenos. Mas, de um ponto de vista estritamente físico, cada eletrão num microscópio eletrónico convencional representa uma oportunidade perdida: se nos limitarmos a contar eletrões, qualquer informação quântica adicional que estes transportem fica por aproveitar.
Um microscópio eletrónico capaz de realizar operações de computação quântica utilizando armadilhas de iões integradas
© TU Wien
Uma equipa da TU Wien, em colaboração com equipas da Universidade de Viena, da JKU Linz e da Universidade de Innsbruck, desenvolveu agora uma forma de aproveitar a informação quântica transportada pelos eletrões num microscópio eletrónico: o feixe de eletrões é acoplado a um computador quântico, abrindo possibilidades inteiramente novas para trabalhar com a informação quântica dos eletrões. Isto é particularmente importante para amostras sensíveis que não podem ser bombardeadas com um número arbitrariamente elevado de eletrões. O microscópio eletrónico com computador quântico está agora a ser construído na TU Wien.
Entrelaçamento quântico controlado
A resolução que se consegue atingir com os microscópios eletrónicos modernos é notável: «Hoje em dia, conseguimos visualizar detalhes minúsculos à escala atómica», afirma Philipp Haslinger, do Instituto de Física Atómica e Subatómica da TU Wien. «No entanto, isto requer um grande número de eletrões. E nem todas as amostras podem ser expostas a tantos eletrões sem sofrerem danos. Isto constitui frequentemente um problema, especialmente ao obter imagens de amostras biológicas, como proteínas individuais.»
No entanto, se for possível extrair mais informação de cada eletrão individual do que anteriormente, basta um número menor de eletrões. A equipa descobriu agora um método para conseguir precisamente isso: «A nossa ideia é combinar os eletrões com um computador quântico. Deixamo-los interagir com iões que são mantidos no lugar ao longo do percurso do feixe de eletrões», explica Elias Pescoller, primeiro autor da publicação e doutorando no Instituto de Física Teórica e no Instituto de Física Atómica e Subatómica da TU Wien. «Isto pode, por exemplo, criar um entrelaçamento quântico entre o eletrão e o computador quântico. O eletrão e o ião passam então a partilhar um estado quântico comum.»
Um sinal mais nítido do que o permitido pela física clássica
O ião no computador quântico transporta agora informação sobre o eletrão – e, pouco depois, o eletrão seguinte passa por ali e fica igualmente entrelaçado com o computador quântico. «Se realizarmos operações de computação quântica muito específicas de cada vez, podemos combinar de forma ótima a informação de vários eletrões, de modo a obtermos um sinal de intensidade máxima, mesmo que utilizemos apenas um número relativamente pequeno de eletrões», afirma Dennis Rätzel, do Instituto de Física Atómica e Subatómica da TU Wien. Os algoritmos que tornam isto possível foram desenvolvidos em colaboração com a equipa de Johannes Kofler na JKU Linz.
«Os próprios eletrões são utilizados para obter imagens de pequenos objetos, tal como em qualquer outro microscópio eletrónico. Mas, ao processar a informação quântica transportada por estes eletrões num computador quântico, podemos extrair significativamente mais informação do processo», afirma Iva Březinová, do Instituto de Física Teórica da TU Wien. «O que anteriormente teria sido indistinguível de ruído aleatório pode, assim, tornar-se um sinal claro.»
A física quântica oferece aqui possibilidades que são fundamentalmente inatingíveis sem efeitos quânticos, recorrendo à contagem puramente clássica de eletrões. «A física quântica permite-nos superar os limites estatísticos que restringem os microscópios eletrónicos convencionais», afirma Elias Pescoller.
Próximo passo: experiências
A equipa conseguiu demonstrar matematicamente as vantagens oferecidas pelo novo método. O próximo passo é a implementação experimental: no Centro de Serviços Universitários para Microscopia Eletrónica de Transmissão (USTEM) da TU Wien, um computador quântico baseado em iões, desenvolvido pela equipa de Philipp Schindler na Universidade de Innsbruck, vai agora ser integrado num microscópio eletrónico.
«É realmente emocionante que, no âmbito do Clúster de Excelência quantA, possamos combinar os conhecimentos especializados em informação quântica, computação quântica e microscopia eletrónica disponíveis nas diferentes universidades da Áustria. Isto permite-nos lançar um projeto único», afirma Thomas Juffmann, da Universidade de Viena.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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