Des chercheurs ont développé une technique permettant d’exploiter l’information quantique portée par les électrons dans un microscope électronique en le couplant à un ordinateur quantique à ions piégés. Cette approche pourrait permettre d’améliorer l’efficacité de la microscopie électronique en dose, en extrayant davantage d’informations avec un nombre réduit d’électrons et en limitant ainsi les dommages causés aux échantillons sensibles.
La microscopie électronique moderne a atteint des résolutions spatiale et temporelle remarquables, permettant notamment de visualiser directement la matière à l’échelle atomique. Ces avancées sont attribuées notamment aux progrès réalisés dans la correction des aberrations et des bruits parasites, la détection des électrons et le traitement informatique des données.
Cependant, malgré ces avancées, les informations pouvant être extraites des échantillons sont limitées par la dose d’électrons qui peut leur être appliquée sans les altérer. Cette contrainte est particulièrement problématique pour les échantillons sensibles aux radiations, tels que les tissus biologiques, les virus et les protéines individuelles.
« Aujourd’hui, nous pouvons imager des détails infimes à l’échelle atomique », explique Philipp Haslinger, de l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. « Cependant, cela nécessite un grand nombre d’électrons. Or, tous les échantillons ne peuvent pas être exposés à autant d’électrons sans être endommagés. C’est souvent un problème, notamment lors de l’imagerie d’échantillons biologiques tels que des protéines individuelles. »
Pour améliorer la résolution de la microscopie électronique tout en respectant la contrainte de dose, Haslinger et ses collègues proposent d’exploiter l’information quantique portée par les électrons, plutôt que d’augmenter l’intensité des faisceaux. Cela pourrait permettre d’obtenir davantage d’informations sur les échantillons avec un nombre réduit d’électrons.
« Les électrons eux-mêmes servent à imager de petits objets, comme dans n’importe quel microscope électronique. Mais en traitant l’information quantique véhiculée par ces électrons dans un ordinateur quantique, nous pouvons extraire beaucoup plus d’informations de ce processus », explique Iva Březinová, de l’Institut de physique théorique de la TU Wien, coauteure de l’étude. « Ce qui était auparavant indiscernable du bruit aléatoire peut ainsi devenir un signal clair. »
Des images plus précises sans multiplier les électrons
Dans un microscope électronique conventionnel, chaque électron détecté fournit une information, mais les propriétés quantiques de l’électron ne sont pas exploitées. L’hypothèse de l’équipe est que, si davantage d’informations pouvaient être extraites de chaque électron, un nombre réduit suffirait pour visualiser un échantillon.
Pour ce faire, les chercheurs proposent de coupler le faisceau d’électrons à un ordinateur quantique à ions piégés. Ils envisagent de maintenir les ions en place le long de la trajectoire du faisceau d’électrons, ce qui peut créer une intrication quantique entre les électrons et le système quantique.
Étant donné que l’électron et l’ion se retrouvent dans un état quantique commun, l’information portée par l’électron peut être transférée au système quantique. L’électron suivant peut à son tour s’intriquer avec le système quantique, permettant ainsi d’y accumuler l’information provenant de plusieurs électrons et de l’échantillon.
« En effectuant des opérations de calcul quantique très spécifiques à chaque itération, nous pouvons combiner de manière optimale les informations provenant de plusieurs électrons afin d’obtenir un signal d’intensité maximale, même avec un nombre relativement restreint d’électrons », explique Dennis Rätzel, de l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien, également coauteur de l’étude, acceptée pour publication dans Physical Review Letters.
Selon les chercheurs, cette approche offre des possibilités qui ne sont pas accessibles avec le seul comptage des électrons. « La physique quantique nous permet de dépasser les limites statistiques qui contraignent les microscopes électroniques conventionnels », souligne l’auteur principal de l’étude, Elias Pescoller, doctorant à l’Institut de physique théorique et à l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien.
Les chercheurs ont démontré mathématiquement les avantages de cette approche dans leur étude théorique. La prochaine étape consistera à l’éprouver expérimentalement.
Ils prévoient pour cela d’intégrer le dispositif au microscope électronique à transmission de l’USTEM de la TU Wien et d’utiliser l’ordinateur quantique à ions développé par l’Université d’Innsbruck. Le dispositif est actuellement en construction.
