Nová stratégia odhaľuje „úplnú chemickú zložitosť“ kvantovej dekoherencie

Zistenia by sa mohli použiť na navrhovanie molekúl s vlastnými vlastnosťami kvantovej koherencie, čím by sa položil chemický základ pre vznikajúce kvantové technológie.

V kvantovej mechanike môžu častice existovať vo viacerých stavoch súčasne, čo je v rozpore s logikou každodenných skúseností. Táto vlastnosť, známa ako kvantová superpozícia, je základom vznikajúcich kvantových technológií, ktoré sľubujú transformáciu výpočtovej techniky, komunikácie a snímania. Kvantová superpozícia však čelí významnej výzve: kvantovej dekoherencii. Počas tohto procesu sa pri interakcii s okolitým prostredím rozpadá jemná superpozícia kvantových stavov.

Výzva kvantovej dekoherencie

Aby vedci odomkli silu chémie na vytváranie zložitých molekulárnych architektúr pre praktické kvantové aplikácie, musia pochopiť a ovládať kvantovú dekoherenciu, aby mohli navrhnúť molekuly so špecifickými vlastnosťami kvantovej koherencie. Na to je potrebné vedieť, ako racionálne modifikovať chemickú štruktúru molekuly na kontrolu alebo zníženie kvantovej dekoherencie. Na tento účel potrebujú vedci poznať „spektrálnu hustotu“, teda veličinu, ktorá sumarizuje, ako rýchlo sa prostredie pohybuje a ako silne interaguje s kvantovým systémom.

Prielom v meraní spektrálnej hustoty

Až doteraz bolo meranie tejto spektrálnej hustoty spôsobom, ktorý presne odráža zložitosť molekúl, nepolapiteľné pre teóriu a experiment. Ale tím vedcov vyvinul metódu extrakcie spektrálnej hustoty molekúl v rozpúšťadle pomocou jednoduchých rezonančných Ramanových experimentov – metódu, ktorá zachytáva celú zložitosť chemického prostredia. Tím, ktorý viedol Ignacio Franco, docent chémie a fyziky na Univerzite v Rochesteri, zverejnil svoje zistenia. Zborník Národnej akadémie vied,

Spojenie molekulárnej štruktúry s kvantovou dekoherenciou

Pomocou extrahovanej spektrálnej hustoty je možné nielen pochopiť, ako rýchlo dochádza k rozkladu, ale aj určiť, ktorá časť chemického prostredia je zaň väčšinou zodpovedná. Výsledkom je, že vedci teraz môžu zmapovať cesty dekoherencie na prepojenie molekulárnej štruktúry s kvantovou dekoherenciou.

„Chémia je postavená na myšlienke, že molekulárna štruktúra určuje chemické a fyzikálne vlastnosti hmoty. Tento princíp riadi moderný dizajn molekúl pre medicínske, poľnohospodárske a energetické aplikácie. Pomocou tejto stratégie môžeme nakoniec začať vyvíjať princípy chemického dizajnu pre vznikajúce kvantové technológie,“ hovorí Ignacio Gustin, postgraduálny študent chémie v Rochestri a prvý autor štúdie.

Rezonančný Ramanov experiment: Kľúčový nástroj

Prelom nastal, keď tím veril, že rezonančné Ramanove experimenty poskytujú všetky informácie potrebné na štúdium rozpúšťania s úplnou chemickou zložitosťou. Takéto experimenty sa bežne používajú na skúmanie fotofyziky a fotochémie, ale ich užitočnosť pre kvantovú dekoherenciu nebola ocenená. Kľúčové poznatky vyplynuli z diskusií s Davidom McClementsom, docentom na Katedre chémie v Rochestri a odborníkom na Ramanovu spektroskopiu, a Chang Woo Kim, teraz na fakulte Chonnamskej národnej univerzity v Kórei a odborníkom na kvantovú dekoherenciu. Bol postdoktorandským výskumníkom v Rochestri.

Prípadová štúdia: Tymínová dekoherencia

Tím prvýkrát použil svoju metódu, aby ukázal, ako elektronická superpozícia v tymíne, jednom zo stavebných kameňov dna, sa rozkladá len za 30 femtosekúnd (femtosekunda je jedna milióntina miliardtiny sekundy) po absorpcii UV svetla. Zistili, že určité vibrácie v molekule dominujú v počiatočných štádiách procesu rozpúšťania, zatiaľ čo vibrácie rozpúšťadla dominujú v neskorších štádiách. Okrem toho zistili, že chemické modifikácie tymínu môžu významne zmeniť rýchlosť dekoherencie, pričom interakcie vodíkových väzieb v blízkosti tymínového kruhu spôsobujú rýchlejšiu dekoherenciu.

Budúce dôsledky a aplikácie

V konečnom dôsledku výskum tímu otvára cestu k pochopeniu chemických princípov, ktoré riadia kvantovú dekoherenciu. „Sme nadšení, že konečne pochopíme kvantovú dekoherenciu v molekulách s úplnou chemickou zložitosťou a že túto stratégiu použijeme na vývoj molekúl so silnejšími koherentnými vlastnosťami,“ hovorí Franco.

Odkaz: „Mapovanie dráh elektronickej dekoherencie v molekulách“ od Ignacio Gustin, Chang Woo Kim, David W. McClements a Ignacio Franco, 28. novembra 2023, Zborník Národnej akadémie vied,
DOI: 10.1073/pnas.2309987120