Une nouvelle stratégie révèle la « complexité chimique totale » de la décohérence quantique

Les résultats peuvent être utilisés pour concevoir des molécules dotées de propriétés de cohérence quantique personnalisées, jetant ainsi les bases chimiques des technologies quantiques émergentes.

En mécanique quantique, les particules peuvent exister dans plusieurs états en même temps, défiant la logique des expériences quotidiennes. Cette propriété, connue sous le nom de superposition quantique, constitue la base des technologies quantiques émergentes qui promettent de transformer l’informatique, les communications et la détection. Mais les superpositions quantiques sont confrontées à un défi majeur : l’incohérence quantique. Au cours de ce processus, la superposition précise des états quantiques s’effondre lors de l’interaction avec son environnement.

Le défi de la décohérence quantique

Pour libérer le pouvoir de la chimie et construire des structures moléculaires complexes destinées à des applications quantiques pratiques, les scientifiques doivent comprendre et contrôler la décohérence quantique afin de pouvoir concevoir des molécules dotées de propriétés de cohérence quantique spécifiques. Pour ce faire, il faut savoir comment modifier rationnellement la structure chimique de la molécule pour modifier ou relâcher la liaison quantique. À cette fin, les scientifiques doivent connaître la « densité spectrale », une quantité qui résume la vitesse à laquelle l’environnement évolue et la force avec laquelle il interagit avec le système quantique.

Une percée dans la mesure de la densité spectrale

Jusqu’à présent, mesurer cette densité spectrale d’une manière qui reflète avec précision la complexité des molécules est resté théoriquement et expérimentalement difficile à atteindre. Mais une équipe de scientifiques a développé un moyen d’extraire la densité spectrale des molécules dans les solvants à l’aide de simples expériences Raman de résonance, une méthode qui capture toute la complexité des environnements chimiques. Dirigée par Ignacio Franco, professeur agrégé de chimie et de physique à l'Université de Rochester, l'équipe a publié ses résultats dans une revue Actes de l'Académie nationale des sciences.

Relier la structure moléculaire à la décohérence quantique

En utilisant la densité spectrale extraite, il est possible non seulement de comprendre la rapidité avec laquelle la déliaison se produit, mais également de déterminer quelle partie de l’environnement chimique en est principalement responsable. En conséquence, les scientifiques peuvent désormais cartographier les voies de décohérence pour relier la structure moléculaire à la décohérence quantique.

« La chimie découle de l'idée que la structure moléculaire détermine les propriétés chimiques et physiques de la matière. Ce principe guide la conception moderne de molécules pour les applications médicales, agricoles et énergétiques. Grâce à cette stratégie, nous pouvons enfin commencer à développer des principes de conception chimique pour les applications émergentes. technologies quantiques.

Expériences de résonance Raman : un outil clé

Cette percée a eu lieu lorsque l'équipe a réalisé que les expériences de résonance Raman avaient fourni toutes les informations nécessaires pour étudier la déliaison dans toute sa complexité chimique. De telles expériences sont couramment utilisées pour étudier la photophysique et la photochimie, mais leur utilité dans la décohérence quantique n'a pas été appréciée. Des idées clés ont émergé des discussions avec David McCamant, professeur agrégé au département de chimie de l'Université de Rochester et expert en spectroscopie Raman, et avec Chang-Woo Kim, aujourd'hui membre du corps professoral de l'Université nationale de Chonnam en Corée et expert en spectroscopie Raman. décohérence quantique, alors qu'il effectuait un post-doctorat à Rochester.

Étude de cas : déliaison du thymine

L'équipe a utilisé sa méthode pour montrer, pour la première fois, comment les configurations électroniques de la thymine, l'un des éléments de base de la construction… ADNIl se désintègre en seulement 30 femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde) après avoir absorbé le rayonnement ultraviolet. Ils ont constaté que certaines vibrations dans la molécule dominent les étapes initiales du processus de décollement, tandis que le solvant domine les étapes ultérieures. En outre, ils ont découvert que les modifications chimiques apportées à la thymine peuvent modifier considérablement le taux de décollement, les interactions de liaison hydrogène à proximité du cycle thymine conduisant à un décollement plus rapide.

Implications et applications futures

À terme, les recherches de l’équipe ouvrent la voie à la compréhension des principes chimiques qui régissent la décohérence quantique. « Nous sommes ravis d'utiliser cette stratégie pour comprendre la décohérence quantique dans des molécules d'une complexité chimique complète et de l'utiliser pour développer des molécules dotées de fortes propriétés de cohésion », déclare Franco.

Référence : « Mapping Electronic Debonding Pathways in Molecules » par Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant et Ignacio Franco, 28 novembre 2023, Actes de l'Académie nationale des sciences.
est ce que je: 10.1073/pnas.2309987120