La revolución del microscopio cuántico está aquí      

 

 

 

 

Por la Universidad de Queensland.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero Ordáz. ALDA.

11 de junio de 2021.

 

Impresión artística del nuevo microscopio cuántico de UQ en acción.

Impresión artística del nuevo microscopio cuántico de UQ en acción. El nuevo sensor basado en entrelazamiento cuántico supera a los microscopios basados ​​en luz. Crédito: la Universidad de Queensland.

 

 

Investigadores de la Universidad de Queensland han construido un microscopio cuántico basado en el extraño fenómeno que Albert Einstein alguna vez llamó "acción espeluznante a distancia".

 

Este nuevo dispositivo aprovecha el entrelazamiento cuántico para iluminar muestras vivas de forma segura, a diferencia de los microscopios convencionales, que utilizan luz de alta intensidad potencialmente dañina.

 

Warwick Bowen, físico cuántico de la Universidad de Queensland, dice que este es el primer sensor basado en entrelazamientos que reemplaza a la tecnología no cuántica.

 

“Esto es emocionante - es la primera prueba del uso del cambiante paradigma del entrelazamiento para la detección”, dice Bowen, autor principal del estudio publicado en la revista Nature.

 

Desde su invención en el siglo XVII, los microscopios tradicionales basados ​​en luz han revolucionado nuestra comprensión de la vida al revelar las estructuras microscópicas y los comportamientos de los sistemas vivos. El campo de la microscopía dio un gran salto cuando se introdujeron los láseres para iluminar muestras con más brillo; algunas tecnologías recientes incluso han podido observar resoluciones casi a la escala de los átomos.

 

Pero los mejores microscopios están limitados por el "ruido" de los fotones, los diminutos paquetes de energía que forman la luz. Los momentos aleatorios en los que los fotones individuales golpean un detector introducen ruido, lo que afecta la sensibilidad, resolución y velocidad de los microscopios. El ruido se puede reducir aumentando la intensidad de la luz, pero eso “fríe” las células.

 

“Los mejores microscopios de luz utilizan láseres brillantes que son miles de millones de veces más brillantes que el Sol”, explica Bowen. “Los sistemas biológicos frágiles como una célula humana solo pueden sobrevivir un corto tiempo en ellos.

 

"Habíamos llegado al límite de lo que se podía hacer era solo aumentar la intensidad de su luz, con sus nefastas consecuencias".

 

El nuevo microscopio de Bowen y su equipo puede iniciar la próxima revolución en microscopía, porque han evadido estas limitaciones al introducir el entrelazamiento cuántico.

 

Pero, ¿cómo funciona realmente este dispositivo? Bueno, todo depende de la física cuántica, así que abróchate el cinturón.

 

El entrelazamiento cuántico es una extraña bestia para entender. La idea es que  dos partículas pueden "enredarse" o vincularse, y de ahí en adelante siempre reflejarán las propiedades de la otra; lo que le pasa a una le sucede instantáneamente a la otra, incluso si están a años luz de distancia. Esta coordinación instantánea parece rebelarse contra el sentido común; los físicos aún no saben exactamente cómo funciona, solo que es así.

 

Y este fenómeno se puede aprovechar en microscopía.

 

Los físicos saben desde hace un tiempo que las correlaciones cuánticas se pueden utilizar para extraer información de los fotones; de hecho, estas correlaciones se utilizan para mejorar los detectores del observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser, LIGO, entre muchas otras cosas. Incluso sospecharon que las correlaciones cuánticas podrían ayudar a mejorar la microscopía, pero hasta ahora no podían construir fuentes de luz lo suficientemente brillantes con correlaciones cuánticas que pudieran interactuar con un microscopio.

 

“Sin embargo, todos los experimentos anteriores utilizaron intensidades ópticas más de 12 órdenes de magnitud más bajas que aquellas para las que normalmente surge el daño biofísico, y muy por debajo de las intensidades típicamente utilizadas en microscopios de precisión”, explican los autores en su artículo.

 

Esta nueva configuración utiliza un microscopio de dispersión Raman coherente, tecnología existente que sondea las señales vibratorias de moléculas vivas, proporcionando información específica sobre su composición química.

 

Pero el equipo diseñó el microscopio a medida que las correlaciones cuánticas mejoraban la fuente de luz que iluminaba la muestra, haciendo que la luz fuera extremadamente "silenciosa".

 

“Lo que el entrelazamiento nos permite hacer es básicamente entrenar los fotones  en esa luz para que lleguen al detector de una manera uniforme y agradable”, dice Bowen.

 

Esto se logra mediante un "cristal no lineal", que cambia la luz que pasa a través;  en lugar de un rayo láser normal, utilizaron "luz comprimida", donde los fotones están intrínsecamente correlacionados. Esto redujo la amplitud de la luz y, a su vez, redujo el ruido.

 

Para una intensidad de luz fija, la configuración da como resultado una relación señal/ruido más alta y, por lo tanto, un mayor contraste en el microscopio. Pudieron obtener imágenes de una pared celular de levadura, de alrededor de 10 nanómetros de espesor.

 

“Podríamos resolver una región mucho más grande de esa pared celular usando correlaciones cuánticas de lo que era posible usando microscopía convencional, sin destruir la célula”, explica Bowen.

 

El equipo pudo mejorar la relación señal/ruido en un 35%".

 

"Esto elimina una barrera fundamental para los avances en microscopía Raman coherente y microscopía de alto rendimiento en general", escriben en su artículo.

 

Bowen comenta: "Estamos realmente entusiasmados con esto porque muestra, por primera vez, que es posible usar la luz cuántica para obtener una ventaja absoluta en microscopía, para medir algo que no se podría medir de otra manera".

 

Sergei Slussarenko, un físico cuántico de la Universidad de Griffith que no participó en el estudio, dice que este es un gran logro.

 

“La comunidad de la óptica cuántica ha trabajado durante bastante tiempo en las  formas de mejorar la precisión de la medición utilizando estados de luz exóticos y es bastante difícil lograr estas mejoras en la práctica”, comenta.

 

“Tener una mejora debido a los efectos cuánticos aquí es bastante importante porque esencialmente no hay forma de mejorar la sensibilidad de medición simplemente aumentando la potencia. Pasar a lo cuántico para obtener una mejora adicional de la medición es el único método".

 

Bowen dice que este es solo el primer paso.

 

Una mejora del 35% no es mucho; cree que pueden hacerlo aún mejor si desarrollan una fuente de luz cuántica aún más brillante.

 

“Uno de los grandes problemas con los microscopios de precisión es que son realmente lentos”, dice Bowen. "Si desea obtener una imagen de un virus, puede que le lleve un minuto obtener una instantánea". Mejorar la fuente cuántica de luz podría acelerar la obtención de imágenes en un factor de diez, por lo que, en lugar de un minuto, podría tomar seis segundos.

 

Esto es importante porque, como dice Bowen, “hay todo tipo de biología en ese virus en el momento en que se toma la imagen”. Reducir las imágenes a seis segundos significa que esos cambios pueden capturarse, en lugar de perderse.

 

El siguiente paso es construir estos sistemas en los laboratorios de otros biofísicos y biólogos para probar lo que es posible, un proceso que tendrá lugar durante los próximos cinco años aproximadamente.

 

“El objetivo es llegar al punto en el que realmente podamos hacer nuevas  preguntas en biología”, dice Bowen. “Hay tanto que no se sabe. Cada vez que se mejora un microscopio, se descubren nuevos comportamientos y nuevos fenómenos, por lo que la idea es contribuir a ello”.

 

 

Más información en:

https://cosmosmagazine.com/science/physics/the-quantum-microscope-revolution-is-here/