En la mecánica cuántica, las partículas pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo, desafiando la lógica de las experiencias cotidianas. Esta propiedad, conocida como superposición cuántica, es la base de las tecnologías cuánticas emergentes que prometen transformar la informática, la comunicación y la detección. Pero las superposiciones cuánticas enfrentan un desafío importante:la decoherencia cuántica. Durante este proceso, la delicada superposición de estados cuánticos se rompe al interactuar con el entorno que lo rodea.
Para desbloquear el poder de la química para construir arquitecturas moleculares complejas para aplicaciones cuánticas prácticas, los científicos necesitan comprender y controlar la decoherencia cuántica para poder diseñar moléculas con propiedades de coherencia cuántica específicas. Para hacerlo, es necesario saber cómo modificar racionalmente la estructura química de una molécula para modular o mitigar la decoherencia cuántica.
Para ello, los científicos necesitan conocer la "densidad espectral", la cantidad que resume qué tan rápido se mueve el entorno y con qué fuerza interactúa con el sistema cuántico.
Hasta ahora, cuantificar esta densidad espectral de una manera que refleje con precisión las complejidades de las moléculas ha sido difícil de alcanzar para la teoría y la experimentación. Pero un equipo de científicos ha desarrollado un método para extraer la densidad espectral de moléculas en disolvente mediante experimentos de resonancia Raman simples, un método que captura toda la complejidad de los entornos químicos.
Dirigido por Ignacio Franco, profesor asociado de química y física de la Universidad de Rochester, el equipo publicó sus hallazgos en las Proceedings of the National Academy of Sciences. .
Utilizando la densidad espectral extraída, es posible no sólo entender qué tan rápido ocurre la decoherencia sino también determinar qué parte del entorno químico es la principal responsable de ella. Como resultado, los científicos ahora pueden mapear vías de decoherencia para conectar la estructura molecular con la decoherencia cuántica.
"La química se desarrolla a partir de la idea de que la estructura molecular determina las propiedades químicas y físicas de la materia. Este principio guía el diseño moderno de moléculas para aplicaciones en medicina, agricultura y energía. Usando esta estrategia, finalmente podemos comenzar a desarrollar principios de diseño químico para tecnologías cuánticas emergentes", dice Ignacio Gustin, estudiante de posgrado en química en Rochester y primer autor del estudio.
El gran avance se produjo cuando el equipo reconoció que los experimentos de resonancia Raman proporcionaban toda la información necesaria para estudiar la decoherencia con total complejidad química. Estos experimentos se utilizan habitualmente para investigar fotofísica y fotoquímica, pero no se ha apreciado su utilidad para la decoherencia cuántica.
Las ideas clave surgieron de conversaciones con David McCamant, profesor asociado en el departamento de química de Rochester y experto en espectroscopia Raman, y con Chang Woo Kim, ahora miembro de la facultad de la Universidad Nacional de Chonnam en Corea y experto en decoherencia cuántica, mientras fue investigador postdoctoral en Rochester.
El equipo utilizó su método para mostrar, por primera vez, cómo las superposiciones electrónicas en la timina, uno de los componentes básicos del ADN, se deshacen en sólo 30 femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima de una milmillonésima de segundo) tras su absorción de rayos UV. luz.
Descubrieron que unas pocas vibraciones en la molécula dominan los pasos iniciales del proceso de decoherencia, mientras que el disolvente domina las etapas posteriores. Además, descubrieron que las modificaciones químicas de la timina pueden alterar significativamente la tasa de decoherencia, con interacciones de enlaces de hidrógeno cerca del anillo de timina que conducen a una decoherencia más rápida.
En última instancia, la investigación del equipo abre el camino hacia la comprensión de los principios químicos que gobiernan la decoherencia cuántica. "Estamos entusiasmados de utilizar esta estrategia para comprender finalmente la decoherencia cuántica en moléculas con complejidad química completa y utilizarla para desarrollar moléculas con propiedades de coherencia sólidas", afirma Franco.
Más información: Ignacio Gustin et al, Mapeo de vías de decoherencia electrónica en moléculas, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2309987120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Rochester
