Nová strategie odhaluje „úplnou chemickou složitost“ kvantové dekoherence

Výsledky lze použít k navrhování molekul s přizpůsobenými vlastnostmi kvantové koherence, které pokládají chemický základ pro vznikající kvantové technologie.

V kvantové mechanice mohou částice existovat ve více stavech současně, což je v rozporu s logikou každodenních experimentů. Tato vlastnost, známá jako kvantová superpozice, je základem pro vznikající kvantové technologie, které slibují transformaci výpočetní techniky, komunikace a snímání. Ale kvantové superpozice čelí velké výzvě: kvantové inkoherenci. Během tohoto procesu se přesná superpozice kvantových stavů zhroutí při interakci s okolním prostředím.

Výzva kvantové dekoherence

Aby se uvolnila síla chemie k budování složitých molekulárních struktur pro praktické kvantové aplikace, vědci potřebují pochopit a ovládat kvantovou dekoherenci, aby mohli navrhnout molekuly se specifickými vlastnostmi kvantové koherence. To vyžaduje vědět, jak racionálně upravit chemickou strukturu molekuly, aby se modifikovala nebo uvolnila kvantová vazba. Za tímto účelem vědci potřebují znát „spektrální hustotu“, veličinu, která shrnuje, jak rychle se prostředí pohybuje a jak silně interaguje s kvantovým systémem.

Průlom v měření spektrální hustoty

Až dosud zůstávalo měření této spektrální hustoty způsobem, který přesně odráží složitost molekul, teoreticky a experimentálně nepolapitelné. Ale tým vědců vyvinul způsob, jak extrahovat spektrální hustotu molekul v rozpouštědlech pomocí jednoduchých rezonančních Ramanových experimentů, což je metoda, která zachycuje celou složitost chemických prostředí. Tým pod vedením Ignacia Franca, docenta chemie a fyziky na University of Rochester, zveřejnil své poznatky v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

Spojení molekulární struktury s kvantovou dekoherencí

Pomocí extrahované spektrální hustoty je možné nejen pochopit, jak rychle k debondingu dochází, ale také určit, která část chemického prostředí je za něj nejvíce zodpovědná. Výsledkem je, že vědci nyní mohou mapovat cesty dekoherence, aby propojili molekulární strukturu s kvantovou dekoherencí.

„Chemie vychází z myšlenky, že molekulární struktura určuje chemické a fyzikální vlastnosti hmoty. Tento princip řídí moderní design molekul pro medicínu, zemědělství a energetické aplikace. Pomocí této strategie můžeme konečně začít vyvíjet principy chemického designu pro vznikající kvantové technologie.

Rezonanční Ramanovy experimenty: klíčový nástroj

Tento průlom nastal, když si tým uvědomil, že experimenty s Ramanovou rezonancí poskytly všechny informace potřebné ke studiu debondingu s plnou chemickou složitostí. Takové experimenty se běžně používají ke studiu fotofyziky a fotochemie, ale jejich užitečnost v kvantové dekoherenci nebyla doceněna. Klíčové myšlenky vzešly z diskusí s Davidem McCamantem, docentem na katedře chemie na University of Rochester a odborníkem na Ramanovu spektroskopii, a s Chang-Woo Kimem, nyní členem fakulty Chonnamské národní univerzity v Koreji a odborníkem na kvantovou dekoherenci, když byl post-PhD v Rochesteru.

Případová studie: Thymin debonding

Tým použil svou metodu, aby poprvé ukázal, jak elektronové konfigurace v thyminu, jednom ze základních prvků při budování… DNARozpadne se za pouhých 30 femtosekund (jedna femtosekunda je jedna miliontina miliardtiny sekundy) po pohlcení ultrafialového záření. Zjistili, že některé vibrace v molekule dominují počátečním krokům procesu rozpojování, zatímco rozpouštědlo dominuje v pozdějších fázích. Kromě toho zjistili, že chemické modifikace thyminu mohou dramaticky změnit rychlost rozpojování, přičemž interakce vodíkových vazeb v blízkosti thyminového kruhu vedou k rychlejšímu rozpojování.

Implikace a budoucí aplikace

Výzkum týmu nakonec otevírá cestu k pochopení chemických principů, které řídí kvantovou dekoherenci. „Jsme nadšeni, že můžeme použít tuto strategii k pochopení kvantové dekoherence v molekulách s plnou chemickou složitostí a použít ji k vývoji molekul se silnými kohezivními vlastnostmi,“ říká Franco.

Reference: „Mapping electronic debonding paths in Molles“ od Ignacia Justina, Chang-Woo Kima, Davida W. McCamanta a Ignacia Franca, 28. listopadu 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2309987120