Riassunto:
Un certo numero di gruppi di ricerca scientifica in Austria hanno recentemente proposto e stanno verificando una soluzione tecnica rivoluzionaria: integrando direttamente un piccolo computer quantistico con trappola ionica in un microscopio elettronico, l'effetto di entanglement quantistico viene utilizzato per estrarre completamente le informazioni quantistiche trasportate dagli elettroni, riducendo così in modo significativo i danni da radiazioni sui campioni fragili e migliorando significativamente la chiarezza dell'imaging microscopico.
Si prevede che questo progetto, portato avanti congiuntamente dall'Università Tecnica di Vienna, dall'Università di Vienna, dall'Università Johann Kepler di Linz e dall'Università di Innsbruck, risolverà completamente le difficoltà di imaging incontrate dai microscopi elettronici tradizionali durante l'osservazione di campioni fragili come le macromolecole biologiche.
Nell'imaging al microscopio elettronico convenzionale, i ricercatori spesso si trovano ad affrontare contraddizioni inconciliabili. Per ottenere immagini chiare con contrasto elevato e basso rumore spesso è necessario aumentare la dose di elettroni che penetrano nel campione, ma ciò può facilmente danneggiare materiali biologici estremamente sensibili come le molecole proteiche. Se la quantità di bombardamento elettronico viene deliberatamente ridotta per proteggere il campione, il debole segnale di imaging verrà facilmente sopraffatto dal rumore casuale. I microscopi tradizionali trattano gli elettroni solo come particelle conteggiatrici che colpiscono un rilevatore, scartando direttamente la grande quantità di informazioni quantistiche aggiuntive trasportate dagli elettroni stessi.
Per risolvere questa limitazione fisica, il gruppo di ricerca ha progettato un nuovo meccanismo di accoppiamento quantistico. Quando il fascio di elettroni passa attraverso il microscopio e viaggia nel percorso ottico, i ricercatori li guidano ad avere un’interazione controllata con gli ioni che sono stati catturati e fissati in anticipo, in modo che gli elettroni che penetrano nel campione siano entangled quantistici con il computer quantistico della trappola ionica e le informazioni sullo stato del campione trasportate dagli elettroni siano completamente preservate negli ioni. Quando gli elettroni successivi passano uno dopo l’altro e si intrecciano nuovamente con il sistema, il computer quantistico eseguirà operazioni algoritmiche appositamente progettate per combinare in modo ottimale le informazioni quantistiche provenienti da più elettroni, convertendo i segnali deboli che erano originariamente irriconoscibili con le misurazioni statistiche classiche in immagini efficaci ad alto contrasto, superando così i limiti statistici dei microscopi elettronici tradizionali a livello matematico e fisico.
I vantaggi teorici di questo schema sono stati precedentemente confermati attraverso rigorose dimostrazioni matematiche. Attualmente, il gruppo di ricerca sta costruendo e verificando sperimentalmente il primo sistema prototipo presso il Centro Servizi Universitario per la Microscopia Elettronica a Trasmissione dell'Università Tecnica di Vienna, integrando precisamente l'hardware del computer quantistico basato su ioni sviluppato dall'Università di Innsbruck con l'entità del microscopio elettronico a trasmissione. Se la successiva verifica sperimentale soddisferà le aspettative teoriche, questa tecnologia di fusione consentirà di osservare la struttura fine di singole proteine fragili e campioni biologici in uno stato non distruttivo, aprendo un nuovo percorso di osservazione microscopica per la biologia strutturale e la scienza dei nanomateriali.
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