Résumé :
Un certain nombre d'équipes de recherche scientifique en Autriche ont récemment proposé et vérifient une solution technique révolutionnaire : en intégrant directement un petit ordinateur quantique à piège à ions dans un microscope électronique, l'effet d'intrication quantique est utilisé pour extraire entièrement les informations quantiques transportées par les électrons, réduisant ainsi considérablement les dommages causés par les radiations aux échantillons fragiles tout en améliorant considérablement la clarté de l'imagerie microscopique.
Ce projet, mené conjointement par l'Université technique de Vienne, l'Université de Vienne, l'Université Johann Kepler de Linz et l'Université d'Innsbruck, devrait éliminer complètement les difficultés d'imagerie rencontrées par les microscopes électroniques traditionnels lors de l'observation d'échantillons fragiles tels que des macromolécules biologiques.
En imagerie par microscopie électronique conventionnelle, les chercheurs sont souvent confrontés à des contradictions irréconciliables. L’obtention d’images claires avec un contraste élevé et un faible bruit nécessite souvent d’augmenter la dose d’électrons pénétrant dans l’échantillon, mais cela peut facilement endommager des matériaux biologiques extrêmement sensibles tels que des molécules de protéines. Si la quantité de bombardement électronique est délibérément réduite afin de protéger l’échantillon, le faible signal d’imagerie sera facilement submergé par un bruit aléatoire. Les microscopes traditionnels traitent uniquement les électrons comme un comptage de particules frappant un détecteur, éliminant ainsi directement la grande quantité d'informations quantiques supplémentaires transportées par les électrons eux-mêmes.
Afin de résoudre cette limitation physique, l'équipe de recherche a conçu un nouveau mécanisme de couplage quantique. Lorsque le faisceau d'électrons traverse le microscope et se déplace dans le chemin optique, les chercheurs les guident pour avoir une interaction contrôlée avec les ions qui ont été capturés et fixés à l'avance, de sorte que les électrons pénétrant dans l'échantillon soient intriqués quantiquement avec l'ordinateur quantique du piège à ions et que les informations sur l'état de l'échantillon transportées par les électrons soient complètement préservées dans les ions. Lorsque les électrons suivants passent les uns après les autres et s'emmêlent à nouveau dans le système, l'ordinateur quantique exécute des opérations algorithmiques spécialement conçues pour combiner de manière optimale les informations quantiques de plusieurs électrons, convertissant les signaux faibles qui étaient à l'origine méconnaissables sous les mesures statistiques classiques en images efficaces avec un contraste élevé, dépassant ainsi les limites statistiques des microscopes électroniques traditionnels aux niveaux mathématique et physique.
Les avantages théoriques de ce schéma ont déjà été confirmés par des preuves mathématiques rigoureuses. Actuellement, l’équipe de recherche construit et vérifie expérimentalement le premier système prototype au Centre de services universitaire de microscopie électronique à transmission de l’Université technique de Vienne, intégrant précisément le matériel informatique quantique à base d’ions développé par l’Université d’Innsbruck avec l’entité de microscope électronique à transmission. Si la vérification expérimentale ultérieure répond aux attentes théoriques, cette technologie de fusion permettra d’observer la structure fine de protéines fragiles et d’échantillons biologiques dans un état non destructif, ouvrant ainsi une nouvelle voie d’observation microscopique pour la biologie structurale et la science des nanomatériaux.
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