Nowa strategia ujawnia „pełną chemiczną złożoność” dekoherencji kwantowej

Wyniki można wykorzystać do zaprojektowania cząsteczek o dostosowanych właściwościach spójności kwantowej, kładąc podwaliny chemiczne pod powstające technologie kwantowe.

W mechanice kwantowej cząstki mogą znajdować się w wielu stanach jednocześnie, co przeczy logice codziennych eksperymentów. Ta właściwość, znana jako superpozycja kwantowa, jest podstawą pojawiających się technologii kwantowych, które mogą zmienić oblicze obliczeń, komunikacji i wykrywania. Jednak superpozycje kwantowe stoją przed poważnym wyzwaniem: niespójnością kwantową. Podczas tego procesu dokładna superpozycja stanów kwantowych załamuje się podczas interakcji z otaczającym je środowiskiem.

Wyzwanie dekoherencji kwantowej

Aby uwolnić moc chemii do budowania złożonych struktur molekularnych do praktycznych zastosowań kwantowych, naukowcy muszą zrozumieć i kontrolować dekoherencję kwantową, aby móc projektować cząsteczki o określonych właściwościach spójności kwantowej. Wymaga to wiedzy, jak racjonalnie modyfikować strukturę chemiczną cząsteczki, aby zmodyfikować lub rozluźnić wiązania kwantowe. W tym celu naukowcy muszą znać „gęstość widmową”, wielkość podsumowującą szybkość poruszania się środowiska i siłę jego interakcji z układem kwantowym.

Przełom w pomiarze gęstości widmowej

Do tej pory pomiar tej gęstości widmowej w sposób dokładnie odzwierciedlający złożoność cząsteczek pozostawał nieuchwytny teoretycznie i eksperymentalnie. Jednak zespół naukowców opracował sposób wyodrębnienia gęstości widmowej cząsteczek w rozpuszczalnikach za pomocą prostych rezonansowych eksperymentów Ramana, metody, która pozwala na uchwycenie pełnej złożoności środowisk chemicznych. Zespół kierowany przez Ignacio Franco, profesora chemii i fizyki na Uniwersytecie w Rochester, opublikował swoje odkrycia w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.

Powiązanie struktury molekularnej z dekoherencją kwantową

Wykorzystując wyodrębnioną gęstość widmową można nie tylko zrozumieć, jak szybko następuje odspojenie, ale także określić, która część środowiska chemicznego jest za to w największym stopniu odpowiedzialna. W rezultacie naukowcy mogą teraz mapować ścieżki dekoherencji, aby powiązać strukturę molekularną z dekoherencją kwantową.

„Chemia wywodzi się z idei, że struktura molekularna określa chemiczne i fizyczne właściwości materii. Zasada ta kieruje nowoczesnym projektowaniem cząsteczek do zastosowań w medycynie, rolnictwie i energetyce. Korzystając z tej strategii, możemy w końcu zacząć opracowywać zasady projektowania chemicznego dla powstających technologie kwantowe.

Rezonansowe eksperymenty Ramana: kluczowe narzędzie

Przełom nastąpił, gdy zespół zdał sobie sprawę, że eksperymenty z rezonansem Ramana dostarczyły wszystkich informacji potrzebnych do badania usuwania wiązań przy pełnej złożoności chemicznej. Takie eksperymenty są rutynowo stosowane w badaniach fotofizyki i fotochemii, ale ich użyteczność w dekoherencji kwantowej nie została doceniona. Kluczowe pomysły wyłoniły się z rozmów z Davidem McCamantem, profesorem nadzwyczajnym na Wydziale Chemii Uniwersytetu w Rochester i ekspertem w dziedzinie spektroskopii Ramana, oraz z Chang-Woo Kimem, obecnie członkiem wydziału Chonnam National University w Korei i ekspertem ds. dekoherencji kwantowej, podczas gdy był doktorantem w Rochester.

Studium przypadku: Odklejanie tyminy

Zespół wykorzystał swoją metodę, aby po raz pierwszy pokazać, jak konfiguracje elektronowe w tyminie, jednym z podstawowych elementów budowy… DNARozpada się w ciągu zaledwie 30 femtosekund (jedna femtosekunda to jedna milionowa miliardowej części sekundy) po pochłonięciu promieniowania ultrafioletowego. Odkryli, że na początkowych etapach procesu odklejania dominują pewne wibracje cząsteczki, podczas gdy na późniejszych etapach dominuje rozpuszczalnik. Ponadto odkryli, że chemiczne modyfikacje tyminy mogą radykalnie zmienić szybkość odrywania, przy czym interakcje wiązań wodorowych w pobliżu pierścienia tyminy prowadzą do szybszego odrywania.

Implikacje i przyszłe zastosowania

Ostatecznie badania zespołu otwierają drogę do zrozumienia zasad chemicznych rządzących dekoherencją kwantową. „Jesteśmy podekscytowani możliwością wykorzystania tej strategii do zrozumienia dekoherencji kwantowej w cząsteczkach o pełnej złożoności chemicznej i wykorzystania jej do opracowania cząsteczek o silnych właściwościach kohezyjnych” – mówi Franco.

Odniesienie: „Mapping Electronic Debonding Pathways in Molecules” autorstwa Ignacio Justina, Chang-Woo Kima, Davida W. McCamanta i Ignacio Franco, 28 listopada 2023 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2309987120