El microscopio fue creado hace más de 350 años y en su momento fue considerado un descubrimiento pionero. Hoy en día, es una herramienta esencial en muchos campos de la ciencia: químicos, biólogos, clínicos, físicos e incluso ingenieros los utilizan para descubrir las estructuras internas de los organismos y la materia que no podemos ver a simple vista. La mayoría de estos microscopios usan luz como herramienta primordial para iluminar muestras transparentes o semitransparentes y ver lo que sucede en su interior. Sin embargo, algunas muestras delicadas como ciertas moléculas y células pueden dañarse o incluso morir bajo radiaciones intensas de luz, lo que plantea problemas a la hora de realizar experimentos de alta precisión.
Para mitigar este problema, la solución ideal es reducir la intensidad de la luz, pero al hacerlo, la imagen tiende a volverse ruidosa y poco nítida, obscureciendo detalles importantes que podrían proporcionar información crucial al observador. En busca de superar esta barrera, se han desarrollado técnicas que permiten obtener imágenes de muestras muy pequeñas y sensibles sin dañarlas. Una opción prometedora es el uso de luz cuántica.
Desde 2018, el proyecto europeo Q-mic se ha centrado en la investigación de la microscopía cuántica. Los resultados de este trabajo, específicamente del nuevo microscopio cuántico mejorado desarrollado por el consorcio, se han publicado en la revista Science Advances. Los autores, pertenecientes al Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y centros de Italia y Alemania, demuestran que este dispositivo utiliza luz cuántica de muy baja intensidad para obtener imágenes de muestras con un amplio campo de visión, y con una mayor sensibilidad y resolución en comparación con los microscopios clásicos.
“El microscopio Q-MIC es único en el sentido de que ha sido diseñado para iluminar la muestra con un tipo especial de luz, una ‘luz cuántica’. En lugar de luz normal, donde muchos fotones desordenados llegan a la muestra, la fuente cuántica desarrollada por nuestro equipo utiliza pares de fotones entrelazados y los envía en pequeñas cantidades para impactar en la muestra y recuperar información de una manera más detallada y específica”, comenta Robin Camphausen del ICFO.
Generalmente, la luz de muy baja intensidad se usa para evitar cualquier daño permanente a la muestra, pero desafortunadamente esto genera un aumento en el ruido de fondo y tiende a ocultar o distorsionar los detalles de la imagen. Este microscopio utiliza patrones de interferencia de fotones entrelazados para reconstruir la imagen de la muestra. Mediante el uso de fotones entrelazados y algoritmos matemáticos avanzados, se logra reducir el nivel de ruido y aumentar la sensibilidad de las mediciones en más del 25 % en comparación con las técnicas clásicas.
Para verificar una mejora en la imagen, los investigadores realizaron pruebas con muestras de proteína A, una solución de diagnóstico estándar utilizada como herramienta de calibración. Las proteínas se depositaron en portaobjetos de vidrio y se iluminaron con luz clásica y cuántica. Los respectivos patrones de interferencia fueron luego reconstruidos, y se observó que la técnica cuántica producía imágenes mucho más suaves y con menos ruido.
“Con la luz cuántica se reduce el nivel de ruido y por tanto la aleatoriedad, obteniendo así mejor información sobre la imagen, especialmente en los bordes de la muestra, lo cual es fundamental para reconocer concentraciones, profundidades y alturas,” resume Álvaro Cuevas, coautor del estudio del ICFO.
Los resultados obtenidos son prometedores y señalan una forma completamente nueva de obtener imágenes mediante esta técnica. Valerio Pruneri, otro de los coautores del ICFO, destacó que el dispositivo innovador no solo tiene capacidades impresionantes sino que también puede ser explotado en diversas aplicaciones, incluyendo la ciencia de los materiales, el análisis de superficies transparentes para la calidad de la electrónica flexible y la criptografía cuántica para comunicaciones seguras.
