Resumo:
Várias equipes de pesquisa científica na Áustria propuseram recentemente e estão verificando uma solução técnica inovadora: ao integrar diretamente um pequeno computador quântico com armadilha de íons em um microscópio eletrônico, o efeito de emaranhamento quântico é usado para extrair completamente a informação quântica transportada pelos elétrons, reduzindo assim significativamente os danos causados pela radiação em amostras frágeis, ao mesmo tempo que melhora significativamente a clareza da imagem microscópica.
Espera-se que este projeto, realizado em conjunto pela Universidade Técnica de Viena, pela Universidade de Viena, pela Universidade Johann Kepler de Linz e pela Universidade de Innsbruck, elimine completamente as dificuldades de imagem enfrentadas pelos microscópios eletrônicos tradicionais ao observar amostras frágeis, como macromoléculas biológicas.
Nas imagens de microscopia eletrônica convencional, os pesquisadores muitas vezes enfrentam contradições irreconciliáveis. A obtenção de imagens nítidas com alto contraste e baixo ruído geralmente requer o aumento da dose de elétrons que penetra na amostra, mas isso pode facilmente danificar materiais biológicos extremamente sensíveis, como moléculas de proteínas. Se a quantidade de bombardeio de elétrons for deliberadamente reduzida para proteger a amostra, o fraco sinal de imagem será facilmente dominado por ruído aleatório. Os microscópios tradicionais tratam os elétrons apenas como contadores de partículas que atingem um detector, descartando diretamente a grande quantidade de informação quântica adicional transportada pelos próprios elétrons.
Para resolver esta limitação física, a equipe de pesquisa projetou um novo mecanismo de acoplamento quântico. Quando o feixe de elétrons passa pelo microscópio e percorre o caminho óptico, os pesquisadores os orientam para que tenham uma interação controlada com os íons que foram capturados e fixados antecipadamente, de modo que os elétrons que penetram na amostra sejam emaranhados quânticamente com o computador quântico da armadilha de íons, e as informações do estado da amostra transportadas pelos elétrons sejam completamente preservadas nos íons. Quando os elétrons subsequentes passam um após o outro e ficam emaranhados novamente com o sistema, o computador quântico executará operações de algoritmo especialmente projetadas para combinar de maneira ideal as informações quânticas de vários elétrons, convertendo os sinais fracos que eram originalmente irreconhecíveis sob medições estatísticas clássicas em imagens eficazes com alto contraste, rompendo assim os limites estatísticos dos microscópios eletrônicos tradicionais nos níveis matemático e físico.
As vantagens teóricas deste esquema foram previamente confirmadas através de provas matemáticas rigorosas. Atualmente, a equipe de pesquisa está construindo e verificando experimentalmente o primeiro sistema protótipo no Centro de Serviços Universitários para Microscopia Eletrônica de Transmissão da Universidade Técnica de Viena, integrando precisamente o hardware de computador quântico baseado em íons desenvolvido pela Universidade de Innsbruck com a entidade de microscópio eletrônico de transmissão. Se a verificação experimental subsequente corresponder às expectativas teóricas, esta tecnologia de fusão tornará possível observar a estrutura fina de proteínas frágeis individuais e amostras biológicas num estado não destrutivo, abrindo um novo caminho de observação microscópica para a biologia estrutural e a ciência dos nanomateriais.
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