Los hallazgos podrían utilizarse para diseñar moléculas con propiedades de coherencia cuántica adaptadas, sentando las bases químicas para las tecnologías cuánticas emergentes.

En la mecánica cuántica, las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez, desafiando la lógica de la experiencia cotidiana. 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 altera al interactuar con el entorno.

El desafío de la decoherencia cuántica

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 ello 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 la rapidez con la que se mueve el entorno y la intensidad con la que interactúa con el sistema cuántico.

Avance en la medición de la densidad espectral

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 disolventes mediante experimentos sencillos de resonancia Raman, un método que capta 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 procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Vinculación de la estructura molecular con la decoherencia cuántica

Utilizando la densidad espectral extraída, es posible no sólo comprender la rapidez con la que se produce la decoherencia, sino también determinar qué parte del entorno químico es la mayor 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 basa en 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 médicas, agrícolas y energéticas. 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.

Experimentos de resonancia Raman: una herramienta fundamental

El gran avance se produjo cuando el equipo reconoció que los experimentos de resonancia Raman producían 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. 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 del cuerpo docente de la Universidad Nacional de Chonnam en Corea y experto en decoherencia cuántica, mientras era profesor. investigador postdoctoral en Rochester.

Estudio de caso: Decoherencia de timina

El equipo utilizó su método para mostrar, por primera vez, cómo las superposiciones electrónicas en la timina, uno de los componentes básicos de ADN, se deshace en sólo 30 femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima de billonésima de segundo) después de absorber la luz ultravioleta. Descubrieron que algunas vibraciones en la molécula dominan las primeras etapas del proceso de decoherencia, mientras que el disolvente domina las últimas etapas. 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.

Implicaciones y aplicaciones futuras

En última instancia, la investigación del equipo allana el camino para comprender 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», dice Franco.

Referencia: “Mapeo de vías de decoherencia electrónica en moléculas” por Ignacio Gustin, Chang Woo Kim, David W. McCamant e Ignacio Franco, 28 de noviembre de 2023, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2309987120