Noua strategie dezvăluie „complexitatea chimică completă” a decoerenței cuantice

Rezultatele pot fi folosite pentru a proiecta molecule cu proprietăți personalizate de coerență cuantică, punând bazele chimice pentru tehnologiile cuantice emergente.

În mecanica cuantică, particulele pot exista în mai multe stări în același timp, sfidând logica experimentelor de zi cu zi. Această proprietate, cunoscută sub numele de suprapunere cuantică, stă la baza tehnologiilor cuantice emergente care promit să transforme calculul, comunicațiile și senzorul. Dar suprapozițiile cuantice se confruntă cu o provocare majoră: incoerența cuantică. În timpul acestui proces, suprapunerea precisă a stărilor cuantice se prăbușește atunci când interacționează cu mediul înconjurător.

Provocarea decoerenței cuantice

Pentru a elibera puterea chimiei de a construi structuri moleculare complexe pentru aplicații cuantice practice, oamenii de știință trebuie să înțeleagă și să controleze decoerența cuantică, astfel încât să poată proiecta molecule cu proprietăți specifice de coerență cuantică. A face acest lucru necesită cunoașterea modului de a modifica în mod rațional structura chimică a moleculei pentru a modifica sau relaxa legătura cuantică. În acest scop, oamenii de știință trebuie să cunoască „densitatea spectrală”, o cantitate care rezumă cât de repede se mișcă mediul și cât de puternic interacționează cu sistemul cuantic.

O descoperire în măsurarea densității spectrale

Până acum, măsurarea acestei densități spectrale într-un mod care reflectă cu acuratețe complexitățile moleculelor a rămas evazivă din punct de vedere teoretic și experimental. Dar o echipă de oameni de știință a dezvoltat o modalitate de a extrage densitatea spectrală a moleculelor din solvenți folosind experimente Raman de rezonanță simplă, o metodă care surprinde întreaga complexitate a mediilor chimice. Condusă de Ignacio Franco, profesor asociat de chimie și fizică la Universitatea din Rochester, echipa și-a publicat concluziile într-un jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences.

Legarea structurii moleculare la decoerența cuantică

Folosind densitatea spectrală extrasă, este posibil nu numai să înțelegem cât de rapid are loc delipirea, ci și să determinam care parte a mediului chimic este cea mai responsabilă pentru aceasta. Drept urmare, oamenii de știință pot acum să cartografieze căile de decoerență pentru a lega structura moleculară cu decoerența cuantică.

„Chimia provine din ideea că structura moleculară determină proprietățile chimice și fizice ale materiei. Acest principiu ghidează proiectarea modernă a moleculelor pentru medicină, agricultură și aplicații energetice. Folosind această strategie, putem începe în sfârșit să dezvoltăm principii de proiectare chimică pentru cele emergente. tehnologii cuantice.

Experimentele Raman de rezonanță: un instrument cheie

Această descoperire a venit atunci când echipa și-a dat seama că experimentele de rezonanță Raman au adus toate informațiile necesare pentru a studia deconectarea cu complexitate chimică deplină. Astfel de experimente sunt folosite în mod obișnuit pentru a studia fotofizica și fotochimia, dar utilitatea lor în decoerența cuantică nu a fost apreciată. Ideile cheie au apărut în urma discuțiilor cu David McCamant, profesor asociat la Departamentul de Chimie de la Universitatea Rochester și expert în spectroscopie Raman, și cu Chang-Woo Kim, acum membru al facultății la Universitatea Națională Chonnam din Coreea și expert în decoerență cuantică, în timp ce era post-doctorat la Rochester.

Studiu de caz: Delegarea timinei

Echipa și-a folosit metoda pentru a arăta, pentru prima dată, modul în care configurațiile electronice din timină, unul dintre elementele de bază în construirea… ADNSe dezintegrează în doar 30 de femtosecunde (o femtosecundă este o milioneme dintr-o miliardime de secundă) după ce a absorbit radiația ultravioletă. Ei au descoperit că unele vibrații în moleculă domină etapele inițiale ale procesului de delipire, în timp ce solventul domină etapele ulterioare. În plus, ei au descoperit că modificările chimice ale timinei pot schimba dramatic rata de delegare, interacțiunile de legare de hidrogen în apropierea inelului de timină conducând la o dezlegare mai rapidă.

Implicații și aplicații viitoare

În cele din urmă, cercetarea echipei deschide calea către înțelegerea principiilor chimice care guvernează decoerența cuantică. „Suntem încântați să folosim această strategie pentru a înțelege decoerența cuantică în molecule de complexitate chimică completă și să o folosim pentru a dezvolta molecule cu proprietăți de coeziune puternice”, spune Franco.

Referință: „Mapping Electronic Debonding Pathways in Molecules” de Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant și Ignacio Franco, 28 noiembrie 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2309987120