Des équipes autrichiennes de la TU Wien, des universités de Vienne, de Linz et d’Innsbruck ont mis au point une méthode associant un faisceau d’électrons à un ordinateur quantique. L’objectif : extraire davantage d’informations par électron et préserver les échantillons sensibles, avec un microscope en construction à la TU Wien.
Les microscopes électroniques servent à visualiser des détails particulièrement petits. Du point de vue strictement physique, chaque électron d’un microscope électronique conventionnel représente une occasion manquée : si l’on se contente de compter les électrons, l’information quantique supplémentaire qu’ils portent reste inexploitée.
Une équipe de la TU Wien, avec des équipes de l’Université de Vienne, de la JKU Linz et de l’Université d’Innsbruck, a développé un moyen d’utiliser l’information quantique portée par les électrons dans un microscope électronique. Le faisceau d’électrons est couplé à un ordinateur quantique, ouvrant des possibilités nouvelles pour travailler avec les données associées. La méthode vise particulièrement les échantillons sensibles qui ne peuvent pas être bombardés avec un nombre arbitrairement élevé d’électrons. Un microscope électronique à ordinateur quantique est actuellement construit à la TU Wien.
Intrication quantique contrôlée
La résolution des microscopes électroniques modernes est élevée. « Aujourd’hui, nous pouvons visualiser des détails minuscules à l’échelle atomique », explique Philipp Haslinger, de l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. « Cela nécessite toutefois un grand nombre d’électrons. Et tous les échantillons ne peuvent pas être exposés à autant d’électrons sans être endommagés. C’est souvent un problème, en particulier pour l’imagerie d’échantillons biologiques comme des protéines individuelles. »
Si l’on peut extraire davantage d’informations de chaque électron qu’auparavant, un nombre plus restreint d’électrons suffit. L’équipe a trouvé une méthode pour y parvenir précisément. « Notre idée consiste à combiner les électrons avec un ordinateur quantique. Nous les faisons interagir avec des ions maintenus en place le long du trajet du faisceau d’électrons », explique Elias Pescoller, premier auteur de la publication et doctorant à l’Institut de physique théorique et à l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. « Cela peut, par exemple, créer une intrication quantique entre l’électron et l’ordinateur quantique. L’électron et l’ion partagent alors un état quantique commun. »
Un signal plus clair que la physique classique ne le permet
L’ion de l’ordinateur quantique porte désormais une information sur l’électron. Peu après, l’électron suivant passe et se trouve lui aussi intriqué avec l’ordinateur quantique. « Si nous effectuons chaque fois des opérations quantiques très spécifiques, nous pouvons combiner de manière optimale les informations de plusieurs électrons afin d’obtenir un signal d’intensité maximale, même si nous n’utilisons qu’un nombre relativement restreint d’électrons », explique Dennis Rätzel, de l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. Les algorithmes qui rendent cela possible ont été développés en collaboration avec l’équipe de Johannes Kofler à la JKU Linz.
« Les électrons eux-mêmes servent à visualiser de petits objets, comme dans tout autre microscope électronique. Mais en traitant dans un ordinateur quantique l’information quantique portée par les électrons, nous pouvons extraire nettement plus d’informations du processus », explique Iva Březinová, de l’Institut de physique théorique de la TU Wien. Un signal auparavant impossible à distinguer du bruit aléatoire peut ainsi devenir un signal clair. La physique quantique offre ici des possibilités fondamentalement inaccessibles sans effets quantiques, lorsqu’on utilise un simple comptage classique des électrons. « La physique quantique nous permet de dépasser les limites statistiques qui contraignent les microscopes électroniques conventionnels », ajoute Elias Pescoller.
Prochaine étape : les expériences
L’équipe a démontré mathématiquement les avantages offerts par la nouvelle méthode. L’étape suivante est la mise en œuvre expérimentale : au Centre universitaire de service de microscopie électronique en transmission (USTEM) de la TU Wien, un ordinateur quantique à base d’ions développé par l’équipe de Philipp Schindler à l’Université d’Innsbruck doit maintenant être intégré dans un microscope électronique.
« Il est très enthousiasmant de pouvoir combiner, au sein du cluster d’excellence quantA, l’expertise en information quantique, en calcul quantique et en microscopie électronique disponible dans les différentes universités autrichiennes. Cela nous permet de lancer un projet unique », déclare Thomas Juffmann, de l’Université de Vienne.
Soruce : TU Wien
