En la mecánica cuántica, las partículas pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo, 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, las comunicaciones y la detección. Sin embargo, la superposición cuántica se enfrenta a un gran desafío: la decoherencia cuántica. En este proceso, una delicada superposición de estados cuánticos colapsa al interactuar con su entorno.

Investigadores de la Universidad de Rochester informan sobre una estrategia para comprender cómo las moléculas pierden coherencia cuántica en disolventes con plena complejidad química. Estos hallazgos abren la puerta a un ajuste racional de la coherencia cuántica mediante el diseño y la funcionalización químicos.

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

El desafío de la decoherencia cuántica

Para liberar el poder de la química y construir estructuras moleculares complejas para aplicaciones cuánticas prácticas, los científicos necesitan comprender y controlar la decoherencia cuántica para diseñar moléculas con propiedades de coherencia cuántica específicas. Para hacer esto es necesario saber cómo alterar racionalmente la estructura química de las moléculas para modular o mitigar la decoherencia cuántica. Para ello, los científicos necesitan conocer la "densidad espectral", una cantidad que resume qué tan rápido se mueve el entorno y con qué fuerza interactúa con el sistema cuántico.

Un gran avance en la medición de la densidad espectral

Hasta la fecha, la teoría y la experimentación no han podido cuantificar esta densidad espectral, que refleja con precisión la complejidad de la molécula. Pero un equipo de científicos ha desarrollado un método para extraer la densidad espectral de las moléculas en un disolvente mediante un sencillo experimento de resonancia Raman, un método que captura toda la complejidad del entorno químico. Dirigido por Ignacio Franco, profesor asociado de química y física de la Universidad de Rochester, el equipo publicó sus hallazgos en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Vinculando la estructura molecular a la decoherencia cuántica

Utilizando las densidades espectrales extraídas, es posible no sólo comprender la rapidez con la que se produce la decoherencia, sino también determinar qué parte del entorno químico es la principal responsable de la decoherencia. Como resultado, los científicos ahora pueden mapear vías de decoherencia, vinculando la estructura molecular con la decoherencia cuántica.

"La estructura molecular determina las propiedades químicas y físicas de las sustancias" es un principio básico de la química. Este principio guía el diseño de moléculas para aplicaciones modernas en medicina, agricultura y energía. "Utilizando esta estrategia, finalmente podremos comenzar a desarrollar principios de diseño químico para tecnologías cuánticas emergentes", dijo Ignacio Gustin, estudiante de posgrado en química en la Universidad de Rochester y primer autor del estudio.

Experimentos Raman resonantes: herramientas clave

El gran avance se produjo cuando el equipo se dio cuenta de que los experimentos Raman resonantes podían proporcionar toda la información necesaria para estudiar la decoherencia con total complejidad química. Estos experimentos se utilizan habitualmente para estudiar fotofísica y fotoquímica, pero no se ha apreciado su papel en la decoherencia cuántica. David McCamant, profesor asociado del Departamento de Química de la Universidad de Rochester y experto en espectroscopia Raman, y Chang Woo Kim, profesor de la Universidad Nacional de Chonnam en Corea del Sur y experto en decoherencia cuántica, brindaron algunas ideas importantes a través de conversaciones con ellos durante su investigación postdoctoral en la Universidad de Rochester.

Estudio de caso: Decoherencia de timina

El equipo utilizó su método para mostrar por primera vez cómo la timina, uno de los componentes básicos del ADN, desenrolla la superposición de electrones en sólo 30 femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima de milmillonésima de segundo) después de absorber luz ultravioleta. Descubrieron que algunas vibraciones en la molécula dominaban los pasos iniciales del proceso de decoherencia, mientras que el disolvente dominaba las etapas posteriores. Además, descubrieron que la modificación química de la timina cambia significativamente la tasa de decoherencia, y las interacciones de los enlaces de hidrógeno cerca del anillo de timina provocan una decoherencia más rápida.

Implicaciones y aplicaciones futuras

En última instancia, el estudio del equipo abre el camino para comprender la química de 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 fuertes propiedades coherentes", dijo Franco.

Referencia: "Mapeo de rutas de decoherencia de electrones en moléculas", autor: Ignacio Gustin, Chang Woo Kim, David W. McCamant e Ignacio Franco, 28 de noviembre de 2023, "Actas de la Academia Nacional de Ciencias".

DOI:10.1073/pnas.2309987120

Fuente compilada: ScitechDaily