Nueva estrategia revela la ‘plena complejidad química’ de la decoherencia cuántica

Los resultados se pueden utilizar para diseñar moléculas con propiedades de coherencia cuántica personalizadas, sentando las bases químicas para las tecnologías cuánticas emergentes.

En la mecánica cuántica, las partículas pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo, desafiando la lógica de los experimentos cotidianos. Esta propiedad, conocida como superposición cuántica, es la base de las tecnologías cuánticas emergentes que prometen transformar la informática, las comunicaciones y la detección. Pero las superposiciones cuánticas enfrentan un desafío importante: la incoherencia cuántica. Durante este proceso, la superposición precisa de estados cuánticos colapsa al interactuar con el entorno que lo rodea.

El desafío de la decoherencia cuántica

Para liberar el poder de la química para construir estructuras moleculares complejas para aplicaciones cuánticas prácticas, los científicos necesitan comprender y controlar la decoherencia cuántica para poder diseñar moléculas con propiedades de coherencia cuántica específicas. Hacerlo requiere saber cómo modificar racionalmente la estructura química de la molécula para modificar o relajar los enlaces cuánticos. Para ello, los científicos necesitan conocer la “densidad espectral”, una cantidad que resume qué tan rápido se mueve el entorno y con qué fuerza interactúa con el sistema cuántico.

Un gran avance en la medición de la densidad espectral

Hasta ahora, medir esta densidad espectral de una manera que refleje con precisión las complejidades de las moléculas ha sido teórica y experimentalmente difícil de alcanzar. Pero un equipo de científicos ha desarrollado una forma de extraer la densidad espectral de las moléculas en disolventes mediante experimentos de resonancia Raman simples, un método que captura toda la complejidad de los entornos químicos. Dirigido por Ignacio Franco, profesor asociado de química y física de la Universidad de Rochester, el equipo publicó sus hallazgos en una revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Vinculando la estructura molecular a la decoherencia cuántica

Utilizando la densidad espectral extraída, es posible no sólo comprender la rapidez con la que se produce la desunión, sino también determinar qué parte del entorno químico es la principal responsable de ella. Como resultado, los científicos ahora pueden mapear vías de decoherencia para vincular la estructura molecular con la decoherencia cuántica.

«La química surge de la idea de que la estructura molecular determina las propiedades químicas y físicas de la materia. Este principio guía el diseño moderno de moléculas para aplicaciones en medicina, agricultura y energía. Usando esta estrategia, finalmente podemos comenzar a desarrollar principios de diseño químico para las aplicaciones emergentes. tecnologías cuánticas.

Experimentos de resonancia Raman: una herramienta clave

Este gran avance se produjo cuando el equipo se dio cuenta de que los experimentos de resonancia Raman habían proporcionado toda la información necesaria para estudiar la desunión con total complejidad química. Estos experimentos se utilizan habitualmente para estudiar fotofísica y fotoquímica, pero no se ha apreciado su utilidad en la decoherencia cuántica. Las ideas clave surgieron de conversaciones con David McCamant, profesor asociado del Departamento de Química de la Universidad de Rochester y experto en espectroscopia Raman, y con Chang-Woo Kim, ahora miembro del cuerpo docente de la Universidad Nacional de Chonnam en Corea y experto en decoherencia cuántica, mientras realizaba su postdoctorado en Rochester.

Estudio de caso: desunión de timina

El equipo utilizó su método para mostrar, por primera vez, cómo las configuraciones electrónicas en la timina, uno de los elementos básicos en la construcción… ADNSe desintegra en sólo 30 femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima de milmillonésima de segundo) después de absorber la radiación ultravioleta. Descubrieron que algunas vibraciones en la molécula dominan los pasos iniciales del proceso de desunión, mientras que el disolvente domina las etapas posteriores. Además, descubrieron que las modificaciones químicas de la timina pueden cambiar drásticamente la velocidad de desunión, con interacciones de enlaces de hidrógeno cerca del anillo de timina que conducen a una desunión más rápida.

Implicaciones y aplicaciones futuras

En última instancia, la investigación del equipo abre el camino hacia la comprensión de los principios químicos que gobiernan la decoherencia cuántica. «Estamos entusiasmados de utilizar esta estrategia para comprender la decoherencia cuántica en moléculas de complejidad química completa y utilizarla para desarrollar moléculas con fuertes propiedades cohesivas», dice Franco.

Referencia: “Mapeo de rutas de desunión electrónica en moléculas” por Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant e Ignacio Franco, 28 de noviembre de 2023. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
doi: 10.1073/pnas.2309987120