- Científicos desarrollan un microscopio impulsado por computación cuántica para mejorar el análisis de muestras.
- La técnica de entrelazamiento cuántico permite obtener más información que los microscopios tradicionales.
- Los microscopios electrónicos presentan limitaciones al observar objetos diminutos, especialmente muestras biológicas.
- Los investigadores están integrando microscopios electrónicos y computadoras cuánticas para validar su método.
Científicos de la Universidad Técnica de Viena, la Universidad de Viena, la Universidad de Linz y la Universidad de Innsbruck, en Austria, han unido fuerzas para desarrollar un microscopio que emplea una computadora cuántica para extraer información de las muestras analizadas. Los investigadores planean recurrir al entrelazamiento cuántico con el fin de obtener más datos de los que pueden aportar los microscopios electrónicos convencionales. Desde que en 1590 los fabricantes holandeses de óptica Hans y Zacharias Janssen dispusieron varias lentes dentro de un tubo y crearon el primer microscopio, los científicos alemanes Ernst Ruska y Max Knoll también construyeron el primer microscopio electrónico. Estos aparatos funcionan con un principio idéntico, aunque difieren en los materiales empleados para generar las imágenes.
En los microscopios convencionales, la luz atraviesa las lentes y produce una imagen ampliada de los objetos diminutos. Aunque este método sirve para la mayoría de los objetos en la Tierra, resulta ineficaz para observar aquellos cuyo tamaño es inferior a la longitud de onda de la luz.
Ruska y Knoll optaron por recurrir a haces de electrones —las partículas más pequeñas del átomo—, capaces de observar objetos 100.000 veces más pequeños que la longitud de onda de la luz. Los microscopios electrónicos se utilizan ampliamente en numerosos campos de investigación. «Hoy podemos observar detalles diminutos a escala atómica», explica Philipp Haslinger, profesor asociado del Institute of Atomic and Subatomic Physics de la Universidad Técnica de Viena. «Sin embargo, esto requiere una gran cantidad de electrones, y no todas las muestras pueden soportar esa dosis sin dañarse. Esto suele ser un problema al obtener imágenes de muestras biológicas, sobre todo de proteínas individuales».
Las limitaciones de los microscopios electrónicos
Para resolver esta cuestión, los investigadores sugieren extraer más información de cada electrón utilizado en la formación de la imagen, lo que también ayudaría a reducir el número total de electrones necesario.
El grupo de investigación propone aprovechar el entrelazamiento cuántico para alcanzar ese objetivo. Esto exigirá conectar el microscopio electrónico a una computadora cuántica basada en iones atrapados. «Nuestra idea es combinar los electrones con la computadora cuántica», explica Elias Pescoller, doctorando del Institute of Theoretical Physics y del Institute of Atomic and Subatomic Physics de la Universidad Técnica de Viena que participa en el proyecto. «Hacemos que interactúen con iones fijos a lo largo de la trayectoria del haz de electrones». De este modo, los electrones que atraviesan el microscopio se entrelazan con los iones de la computadora cuántica y la información de los electrones queda almacenada en los iones atrapados gracias al entrelazamiento cuántico.
Cada electrón que atraviesa la muestra puede entrelazarse con la computadora cuántica y, mediante operaciones cuánticas adecuadas, la información puede extraerse de los iones atrapados. «Podemos combinar de forma óptima la información de varios electrones para obtener una señal de máxima intensidad incluso empleando un número relativamente pequeño de electrones», añadió en un comunicado de prensa Denis Rätzel, físico teórico de la Universidad Técnica de Viena.
Avances en la integración de la computadora cuántica
Investigadores de la Universidad de Linz contribuyeron a desarrollar los algoritmos necesarios para alcanzar este objetivo. Hasta ahora, el equipo solo ha demostrado matemáticamente las múltiples ventajas de este método. Ahora trabaja en la integración de un microscopio electrónico con una computadora cuántica de iones atrapados para validar experimentalmente esos cálculos matemáticos. Los cálculos se han compartido en el servidor de preprints arXiv.
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Cómo puede la tecnología cuántica transformar las aplicaciones del microscopio
La incorporación de la computación cuántica abre nuevas posibilidades para la microscopía, en particular en el análisis de muestras biológicas diminutas. Aunque los microscopios electrónicos convencionales permiten observar detalles a escala atómica, el riesgo de dañar las muestras limita su aplicación. Mediante el entrelazamiento cuántico, los investigadores esperan reducir la cantidad de electrones necesaria y, al mismo tiempo, mejorar la calidad de la información obtenida. Esto no solo podría perfeccionar las técnicas microscópicas actuales, sino también impulsar avances en campos como la biomedicina y la ciencia de materiales, evidenciando el potencial de la tecnología cuántica en la ciencia experimental.