Нова стратегия разкрива „пълната химическа сложност“ на квантовата декохерентност

Резултатите могат да се използват за проектиране на молекули с персонализирани свойства на квантовата кохерентност, поставяйки химическата основа за нововъзникващи квантови технологии.

В квантовата механика частиците могат да съществуват в множество състояния едновременно, противопоставяйки се на логиката на ежедневните експерименти. Това свойство, известно като квантова суперпозиция, е в основата на нововъзникващите квантови технологии, които обещават да трансформират изчисленията, комуникациите и усещането. Но квантовите суперпозиции са изправени пред голямо предизвикателство: квантовата некохерентност. По време на този процес точната суперпозиция на квантовите състояния се срива при взаимодействие със заобикалящата го среда.

Предизвикателството на квантовата декохерентност

За да отприщят силата на химията за изграждане на сложни молекулярни структури за практически квантови приложения, учените трябва да разберат и контролират квантовата декохерентност, за да могат да проектират молекули със специфични свойства на квантова кохерентност. За да направите това, трябва да знаете как рационално да модифицирате химическата структура на молекулата, за да модифицирате или отпуснете квантовата връзка. За тази цел учените трябва да знаят „спектрална плътност“, количество, което обобщава колко бързо се движи околната среда и колко силно тя взаимодейства с квантовата система.

Пробив в измерването на спектралната плътност

Досега измерването на тази спектрална плътност по начин, който точно отразява сложността на молекулите, оставаше теоретично и експериментално неуловимо. Но екип от учени е разработил начин за извличане на спектралната плътност на молекулите в разтворители с помощта на прости експерименти с резонансен Раман, метод, който улавя пълната сложност на химическите среди. Ръководен от Игнасио Франко, доцент по химия и физика в университета в Рочестър, екипът публикува своите открития в списание Сборник на Националната академия на науките.

Свързване на молекулярната структура с квантовата декохерентност

Използвайки извлечената спектрална плътност, е възможно не само да разберете колко бързо настъпва разцепването, но и да определите коя част от химическата среда е най-вече отговорна за това. В резултат на това учените вече могат да картографират пътищата на декохерентност, за да свържат молекулярната структура с квантовата декохерентност.

„Химията произтича от идеята, че молекулярната структура определя химичните и физичните свойства на материята. Този принцип ръководи съвременния дизайн на молекули за медицина, селско стопанство и енергийни приложения. Използвайки тази стратегия, най-накрая можем да започнем да разработваме принципи на химичния дизайн за възникващи квантови технологии.

Резонансни Раманови експерименти: ключов инструмент

Този пробив дойде, когато екипът осъзна, че експериментите с Раманов резонанс са дали цялата информация, необходима за изследване на разцепването с пълна химическа сложност. Такива експерименти се използват рутинно за изучаване на фотофизиката и фотохимията, но тяхната полезност в квантовата декохерентност не е оценена. Ключови идеи възникнаха от дискусиите с Дейвид МакКамант, доцент в катедрата по химия в Университета на Рочестър и експерт по Раманова спектроскопия, и с Чанг-У Ким, сега член на факултета в Националния университет Чоннам в Корея и експерт по квантова декохерентност, докато беше след докторска степен в Рочестър.

Казус от практиката: Отлепване на тимин

Екипът използва своя метод, за да покаже за първи път как се получава електронно припокриване в тимина, един от основните елементи на химията. ДНКТой се разпада само за 30 фемтосекунди (една фемтосекунда е една милионна от милиардната част от секундата) след абсорбиране на ултравиолетова радиация. Те откриха, че някои вибрации в молекулата доминират в началните стъпки в процеса на разцепване, докато разтворителят доминира в по-късните етапи. В допълнение, те откриха, че химическите модификации на тимина могат драстично да променят скоростта на разцепване, като взаимодействията на водородните връзки в близост до тиминовия пръстен водят до по-бързо разцепване.

Последици и бъдещи приложения

В крайна сметка изследването на екипа отваря пътя към разбирането на химичните принципи, които управляват квантовата декохерентност. „Развълнувани сме да използваме тази стратегия, за да разберем квантовата декохерентност в молекули с пълна химическа сложност и да я използваме за разработване на молекули със силни кохезивни свойства“, казва Франко.

Справка: „Картографиране на пътищата за електронно разединяване в молекулите“ от Игнасио Джъстин, Чанг-У Ким, Дейвид У. МакКамант и Игнасио Франко, 28 ноември 2023 г., Сборник на Националната академия на науките.
doi: 10.1073/pnas.2309987120