Novo microscópio quântico revela estruturas “impossíveis de ver”, afirmam cientistas

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Impressão artística do novo microscópio quântico da UQ em ação. Créditos: UQ / Aleksandr Kakinen.

Por Warwick Bowen
Publicado no The Conversation

Você provavelmente já viu imagens de cientistas examinando um microscópio, olhando para objetos invisíveis a olho nu. Na verdade, os microscópios são indispensáveis ​​para nossa compreensão da vida.

Eles são indispensáveis ​​para a biotecnologia e a medicina, por exemplo, em nossa resposta a doenças como a COVID-19. No entanto, os melhores microscópios de luz atingiram uma barreira fundamental – a luz laser brilhante usada para iluminar objetos minúsculos também pode destruí-los.

Em pesquisa publicada hoje na Nature, nossa equipe de pesquisadores australianos e alemães mostrou que as tecnologias quânticas oferecem uma solução. Construímos um microscópio quântico que pode sondar amostras biológicas com mais delicadeza, o que nos permitiu observar estruturas biológicas que de outra forma seriam impossíveis de ver.

A criação de um microscópio que evita danos como o nosso é um marco há muito tempo aguardado nos programas de tecnologia quântica internacional. Ele representa um primeiro passo para uma nova era emocionante para microscopia e para tecnologias de detecção de forma mais ampla.

O problema com microscópios a laser

Os microscópios têm uma longa história. Acredita-se que elas tenham sido inventadas pelo fabricante holandês de lentes Zacharias Janssen por volta da virada do século XVII. Ele pode tê-los usado para falsificar moedas. Esse começo obscuro levou à descoberta de bactérias, células e basicamente toda a microbiologia como a entendemos agora.

A invenção mais recente dos lasers forneceu um novo tipo de luz intensa. Isso tornou possível uma abordagem totalmente nova à microscopia. Os microscópios a laser nos permitem ver a biologia com detalhes verdadeiramente nítidos, 10.000 vezes menor que a espessura de um cabelo humano. Eles receberam o Prêmio Nobel de Química de 2014 e transformaram nossa compreensão das células e das moléculas, assim como do DNA dentro delas.

No entanto, os microscópios a laser enfrentam um grande problema. A própria qualidade que os torna bem-sucedidos – sua intensidade – é também seu calcanhar de Aquiles. Os melhores microscópios a laser usam luz bilhões de vezes mais brilhante do que a luz do sol na Terra. Como você pode imaginar, isso pode causar graves queimaduras causadas pela Sol!

Em um microscópio a laser, as amostras biológicas podem adoecer ou morrer em segundos. Você pode ver isso acontecendo em tempo real no filme de uma célula de fibroblasto abaixo, feito por nosso membro da equipe Michael Taylor.

Ações fantasmagóricas à distância fornecem a solução

Nosso microscópio foge desse problema. Ele usa uma propriedade chamada emaranhamento quântico, que Albert Einstein descreveu como “ação fantasmagórica à distância”.

O emaranhamento é um tipo incomum de correlação entre partículas, em nosso caso, entre os fótons que formam um feixe de laser. Nós o usamos para treinar o comportamento dos fótons que saem do microscópio, chegando a um detector de uma maneira muito ordenada. Isso reduz o ruído.

Outros microscópios precisam aumentar a intensidade do laser para melhorar a nitidez das imagens. Ao reduzir o ruído, o nosso microscópio é capaz de melhorar a nitidez sem fazer isso. Como alternativa, podemos usar um laser menos intenso para produzir o mesmo desempenho do microscópio.

Um dos principais desafios era produzir um emaranhamento quântico que fosse brilhante o suficiente para um microscópio a laser. Fizemos isso concentrando os fótons em pulsos de laser com apenas alguns bilionésimos de segundo de duração. Isso produziu um emaranhado que era 1.000 bilhões de vezes mais brilhante do que o usado anteriormente em imagens.

Quando usada em um microscópio, nossa luz laser emaranhada fornecia nitidez de imagem 35% melhor do que seria possível sem destruir a amostra. Usamos o microscópio para obter imagens das vibrações das moléculas dentro de uma célula viva. Isso nos permitiu ver a estrutura detalhada que teria sido invisível usando as abordagens tradicionais.

A melhora pode ser conferida nas imagens abaixo. Essas imagens, tiradas com nosso microscópio, mostram vibrações moleculares dentro de uma porção de uma célula de levedura. A imagem da esquerda usa emaranhamento quântico, enquanto a imagem da direita usa luz laser convencional. Como espero que você concorde, a imagem quântica é mais nítida, com regiões onde as gorduras são armazenadas dentro da célula (as manchas escuras) e a parede celular (a estrutura semicircular) mais visíveis.

Exemplo de melhoria quântica possibilitada pelo nosso microscópio. Crédito: Warwick Bowen.

Rumo a aplicações de tecnologias de sensoriamento quântico

Espera-se que as tecnologias quânticas tenham aplicações revolucionárias para a computação, comunicações e sensoriamento. A Organização de Ciência e Pesquisa Industrial da Commonwealth da Austrália (CSIRO) estima que criará uma indústria global de A$ 86 bilhões (equivalente a cerca de R$ 336 bilhões) em 2040.

O emaranhamento quântico sustenta muitas dessas aplicações. Um desafio importante para os pesquisadores da tecnologia quântica é mostrar que ela oferece vantagens absolutas sobre os métodos atuais.

O emaranhamento já é usado por instituições financeiras e agências governamentais para se comunicar com segurança garantida. Também está no cerne dos computadores quânticos, que o Google mostrou em 2019 ter o poder de realizar cálculos que seriam impossíveis com os computadores convencionais atuais.

Os sensores quânticos são a última peça deste quebra-cabeça. Prevê-se que eles melhorem praticamente todos os aspectos de como vemos o mundo, desde uma melhor navegação até melhores cuidados de saúde e diagnósticos médicos.

Cerca de um ano atrás, o emaranhamento quântico foi instalado em observatórios de ondas gravitacionais em escala de quilômetros. Isso permite que os cientistas detectem objetos massivos mais distantes no espaço.

Nosso trabalho mostra que o emaranhamento pode fornecer uma vantagem absoluta de detecção em escalas de tamanho mais normais e em tecnologias difundidas. Isso pode ter grandes ramificações – não apenas para microscopia, mas também para muitas outras aplicações, como posicionamento globalradar e navegação.A conversa