Desarrollan un microscopio revolucionario con tecnología cuántica para mejorar la imagenología

Los microscopios electrónicos son herramientas poderosas que permiten observar estructuras mucho más pequeñas que las visibles con luz ordinaria. Sin embargo, un grupo de investigadores en Austria ha señalado que los microscopios electrónicos convencionales podrían estar desperdiciando información valiosa. Para abordar este desafío, han propuesto un enfoque innovador que combina un microscopio electrónico con una computadora cuántica.

En los sistemas estándar, los electrones se cuentan principalmente para construir una imagen. Sin embargo, cada electrón también transporta información cuántica que normalmente no se utiliza. El equipo de TU Wien, junto con investigadores de la Universidad de Viena, JKU Linz y la Universidad de Innsbruck, desarrolló un método que busca capturar y procesar esta información adicional.

El objetivo es conectar un microscopio electrónico a una computadora cuántica, lo que permitiría extraer más información útil de cada electrón. Esto podría resultar en imágenes más claras mientras se expone a muestras delicadas a menos electrones, algo especialmente valioso para materiales biológicos que son fácilmente dañados. Actualmente, se está construyendo un microscopio basado en este concepto en TU Wien.

Uso del entrelazamiento cuántico para maximizar la información

Los microscopios electrónicos modernos ya logran resoluciones extraordinarias. Según Philipp Haslinger, del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien, "hoy podemos imaginar detalles diminutos a escala atómica. Sin embargo, esto requiere un gran número de electrones, y no todas las muestras pueden ser expuestas a tantos electrones sin sufrir daños, lo que es un problema común, sobre todo al imaginar muestras biológicas como proteínas individuales".

El desafío, por lo tanto, es aprender a obtener más información de cada electrón para reducir la cantidad total necesaria para generar una imagen. El equipo propone enlazar los electrones a una computadora cuántica construida alrededor de iones atrapados.

"Nuestra idea es combinar los electrones con una computadora cuántica. Permitirles interactuar con iones que se mantienen en su lugar a lo largo del camino del haz de electrones", explica Elias Pescoller, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en el Instituto de Física Teórica y el Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien. "Esto puede, por ejemplo, crear un entrelazamiento cuántico entre el electrón y la computadora cuántica, lo que permite que la información sobre el electrón se almacene en el ion".

El entrelazamiento cuántico permite que dos sistemas cuánticos compartan información de maneras que no tienen equivalente directo en la física clásica. En esta configuración, un electrón que pasa por el microscopio puede entrelazarse con un ion en la computadora cuántica, permitiendo que la información sobre el electrón se almacene en el ion.

Transformando señales débiles en información útil

Después de que un electrón interactúa con el ion atrapado, otro electrón puede pasar y también entrelazarse con la computadora cuántica. Al realizar operaciones cuánticas cuidadosamente diseñadas, el sistema puede combinar información de múltiples electrones.

"Si realizamos operaciones específicas de computación cuántica cada vez, podemos combinar óptimamente la información de varios electrones para obtener una señal de máxima intensidad, a pesar de utilizar solo un número relativamente pequeño de electrones", explica Dennis Rätzel, del Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien.

Los algoritmos necesarios para llevar a cabo este procesamiento fueron desarrollados en colaboración con el equipo de Johannes Kofler en JKU Linz.

El proceso básico de imagenología sigue dependiendo de los electrones, tal como sucede en un microscopio electrónico convencional. La diferencia radica en que la computadora cuántica puede procesar información que esos electrones transportan y que de otro modo se perdería.

"Los electrones mismos se utilizan para imaginar objetos pequeños, al igual que en cualquier otro microscopio electrónico. Pero al procesar la información cuántica que transportan estos electrones en una computadora cuántica, podemos extraer significativamente más información del proceso", señala Iva Brezinová, del Instituto de Física Teórica en TU Wien. "Lo que anteriormente habría sido indistinguible del ruido aleatorio puede convertirse en una señal clara".

Esto podría permitir a los científicos recuperar detalles útiles que serían imposibles de identificar utilizando únicamente el conteo de electrones convencional.

"La física cuántica nos permite superar los límites estadísticos que restringen a los microscopios electrónicos convencionales", afirma Elias Pescoller.

De la prueba matemática a un microscopio funcional

Hasta ahora, los investigadores han demostrado matemáticamente que el nuevo método debería ofrecer ventajas significativas. El siguiente desafío consiste en demostrar esos beneficios de manera experimental.

En el Centro de Servicio Universitario para Microscopía Electrónica de Transmisión (USTEM) de TU Wien, los investigadores se preparan para integrar una computadora cuántica basada en iones en un microscopio electrónico. La computadora cuántica fue desarrollada por el equipo de Philipp Schindler en la Universidad de Innsbruck.

Si el sistema funciona como se espera, podría abrir un nuevo enfoque para la microscopía electrónica en el que los investigadores obtienen más información mientras exponen muestras sensibles a menos electrones.

"Es realmente emocionante que, dentro del Cluster de Excelencia quantA, podamos combinar la experiencia en información cuántica, computación cuántica y microscopía electrónica disponible en las diferentes universidades de Austria. Esto nos permite lanzar un proyecto único", afirma Thomas Juffmann de la Universidad de Viena.

El consorcio, que es coordinado por la Universidad de Viena, recibe una importante financiación del Fondo Austriaco de Ciencia (FWF) a través del Cluster de Excelencia quantA y de la Fundación Gordon y Betty Moore.