Nova estratégia revela ‘complexidade química total’ da decoerência quântica

Os resultados podem ser usados ​​para projetar moléculas com propriedades de coerência quântica personalizadas, estabelecendo a base química para tecnologias quânticas emergentes.

Na mecânica quântica, as partículas podem existir em vários estados ao mesmo tempo, desafiando a lógica dos experimentos cotidianos. Esta propriedade, conhecida como superposição quântica, é a base para tecnologias quânticas emergentes que prometem transformar a computação, as comunicações e a detecção. Mas as superposições quânticas enfrentam um grande desafio: a incoerência quântica. Durante este processo, a superposição precisa de estados quânticos entra em colapso ao interagir com o ambiente circundante.

O desafio da decoerência quântica

Para libertar o poder da química para construir estruturas moleculares complexas para aplicações quânticas práticas, os cientistas precisam de compreender e controlar a decoerência quântica para que possam conceber moléculas com propriedades específicas de coerência quântica. Fazer isso requer saber como modificar racionalmente a estrutura química da molécula para modificar ou relaxar a ligação quântica. Para tal, os cientistas precisam de conhecer a “densidade espectral”, uma quantidade que resume a rapidez com que o ambiente se move e a intensidade com que interage com o sistema quântico.

Um avanço na medição de densidade espectral

Até agora, medir esta densidade espectral de uma forma que reflita com precisão as complexidades das moléculas permaneceu teórica e experimentalmente indefinido. Mas uma equipe de cientistas desenvolveu uma maneira de extrair a densidade espectral de moléculas em solventes usando experimentos simples de ressonância Raman, um método que captura toda a complexidade dos ambientes químicos. Liderada por Ignacio Franco, professor associado de química e física da Universidade de Rochester, a equipe publicou suas descobertas em uma revista Anais da Academia Nacional de Ciências.

Ligando a estrutura molecular à decoerência quântica

Usando a densidade espectral extraída, é possível não apenas entender a rapidez com que ocorre a desvinculação, mas também determinar qual parte do ambiente químico é a maior responsável por ela. Como resultado, os cientistas podem agora mapear caminhos de decoerência para ligar a estrutura molecular à decoerência quântica.

“A química surge da ideia de que a estrutura molecular determina as propriedades químicas e físicas da matéria. Este princípio orienta o design moderno de moléculas para aplicações médicas, agrícolas e energéticas. Usando esta estratégia, podemos finalmente começar a desenvolver princípios de design químico para aplicações emergentes tecnologias quânticas.

Experimentos de ressonância Raman: uma ferramenta chave

Este avanço ocorreu quando a equipe percebeu que os experimentos de ressonância Raman haviam produzido todas as informações necessárias para estudar a separação com total complexidade química. Tais experimentos são usados ​​rotineiramente para estudar fotofísica e fotoquímica, mas sua utilidade na decoerência quântica não foi apreciada. Ideias-chave surgiram de discussões com David McCamant, professor associado do Departamento de Química da Universidade de Rochester e especialista em espectroscopia Raman, e com Chang-Woo Kim, agora membro do corpo docente da Universidade Nacional de Chonnam, na Coréia, e especialista em decoerência quântica, enquanto fazia pós-doutorado em Rochester.

Estudo de caso: descolamento de timina

A equipe usou seu método para mostrar, pela primeira vez, como funcionam as configurações eletrônicas na timina, um dos elementos básicos na construção… ADNEle se desintegra em apenas 30 femtossegundos (um femtossegundo é um milionésimo de bilionésimo de segundo) após absorver a radiação ultravioleta. Eles descobriram que algumas vibrações na molécula dominam as etapas iniciais do processo de desvinculação, enquanto o solvente domina as etapas posteriores. Além disso, eles descobriram que modificações químicas na timina podem alterar drasticamente a taxa de descolamento, com interações de ligações de hidrogênio próximas ao anel de timina levando a um descolamento mais rápido.

Implicações e aplicações futuras

Em última análise, a pesquisa da equipe abre caminho para a compreensão dos princípios químicos que governam a decoerência quântica. “Estamos entusiasmados em usar esta estratégia para compreender a decoerência quântica em moléculas de complexidade química total e usá-la para desenvolver moléculas com fortes propriedades coesivas”, diz Franco.

Referência: “Mapeando caminhos de desvinculação eletrônica em moléculas” por Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant e Ignacio Franco, 28 de novembro de 2023, Anais da Academia Nacional de Ciências.
doi: 10.1073/pnas.2309987120