Strategi baru mengungkapkan 'kompleksitas kimiawi penuh' dari dekoherensi kuantum

Hasilnya dapat digunakan untuk merancang molekul dengan sifat koherensi kuantum yang disesuaikan, sehingga meletakkan dasar kimia bagi teknologi kuantum yang sedang berkembang.

Dalam mekanika kuantum, partikel dapat berada dalam berbagai keadaan secara bersamaan, hal ini bertentangan dengan logika eksperimen sehari-hari. Properti ini, yang dikenal sebagai superposisi kuantum, adalah dasar bagi munculnya teknologi kuantum yang menjanjikan transformasi komputasi, komunikasi, dan penginderaan. Namun superposisi kuantum menghadapi tantangan besar: inkoherensi kuantum. Selama proses ini, superposisi keadaan kuantum yang tepat runtuh saat berinteraksi dengan lingkungan sekitarnya.

Tantangan dekoherensi kuantum

Untuk memanfaatkan kekuatan kimia dalam membangun struktur molekul kompleks untuk aplikasi kuantum praktis, para ilmuwan perlu memahami dan mengontrol dekoherensi kuantum sehingga mereka dapat merancang molekul dengan sifat koherensi kuantum tertentu. Untuk melakukan hal ini diperlukan pengetahuan bagaimana memodifikasi struktur kimia molekul secara rasional untuk memodifikasi atau mengendurkan ikatan kuantum. Untuk mencapai tujuan ini, para ilmuwan perlu mengetahui “kepadatan spektral”, yaitu kuantitas yang merangkum seberapa cepat lingkungan bergerak dan seberapa kuat interaksinya dengan sistem kuantum.

Sebuah terobosan dalam pengukuran kepadatan spektral

Hingga saat ini, pengukuran kerapatan spektral dengan cara yang secara akurat mencerminkan kompleksitas molekul masih sulit dipahami secara teoritis dan eksperimental. Namun tim ilmuwan telah mengembangkan cara untuk mengekstraksi kepadatan spektral molekul dalam pelarut menggunakan eksperimen resonansi Raman sederhana, sebuah metode yang menangkap seluruh kompleksitas lingkungan kimia. Dipimpin oleh Ignacio Franco, profesor kimia dan fisika di Universitas Rochester, tim mempublikasikan temuan mereka dalam jurnal Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.

Menghubungkan struktur molekul dengan dekoherensi kuantum

Dengan menggunakan kerapatan spektral yang diekstraksi, kita tidak hanya dapat memahami seberapa cepat debonding terjadi, namun juga menentukan bagian mana dari lingkungan kimia yang paling bertanggung jawab terhadap hal tersebut. Hasilnya, para ilmuwan kini dapat memetakan jalur dekoherensi untuk menghubungkan struktur molekul dengan dekoherensi kuantum.

“Kimia muncul dari gagasan bahwa struktur molekul menentukan sifat kimia dan fisik materi. Prinsip ini memandu desain molekul modern untuk aplikasi kedokteran, pertanian, dan energi. Dengan menggunakan strategi ini, kita akhirnya dapat mulai mengembangkan prinsip-prinsip desain kimia untuk negara-negara berkembang. teknologi kuantum.

Eksperimen Resonansi Raman: alat utama

Terobosan ini terjadi ketika tim menyadari bahwa eksperimen resonansi Raman telah menghasilkan semua informasi yang diperlukan untuk mempelajari debonding dengan kompleksitas kimia yang lengkap. Eksperimen semacam itu secara rutin digunakan untuk mempelajari fotofisika dan fotokimia, namun kegunaannya dalam dekoherensi kuantum belum dihargai. Ide-ide kunci muncul dari diskusi dengan David McCamant, seorang profesor di Departemen Kimia di Universitas Rochester dan seorang ahli dalam spektroskopi Raman, dan dengan Chang-Woo Kim, yang sekarang menjadi anggota fakultas di Universitas Nasional Chonnam di Korea dan seorang ahli dalam bidang dekoherensi kuantum, ketika dia menjadi pasca-PhD di Rochester.

Studi kasus: Debonding timin

Tim menggunakan metode mereka untuk menunjukkan, untuk pertama kalinya, bagaimana konfigurasi elektron dalam timin, salah satu elemen dasar dalam membangun… DNAIa hancur hanya dalam 30 femtodetik (satu femtodetik sama dengan sepersejuta miliar detik) setelah menyerap radiasi ultraviolet. Mereka menemukan bahwa beberapa getaran dalam molekul mendominasi langkah awal dalam proses pelepasan ikatan, sedangkan pelarut mendominasi tahap selanjutnya. Selain itu, mereka menemukan bahwa modifikasi kimia pada timin dapat secara dramatis mengubah laju pelepasan ikatan, dengan interaksi ikatan hidrogen di dekat cincin timin yang menyebabkan pelepasan ikatan lebih cepat.

Implikasi dan penerapannya di masa depan

Pada akhirnya, penelitian tim membuka jalan menuju pemahaman prinsip-prinsip kimia yang mengatur dekoherensi kuantum. “Kami sangat bersemangat untuk menggunakan strategi ini untuk memahami dekoherensi kuantum dalam molekul dengan kompleksitas kimia yang lengkap dan menggunakannya untuk mengembangkan molekul dengan sifat kohesif yang kuat,” kata Franco.

Referensi: “Memetakan jalur pelepasan ikatan elektronik dalam molekul” oleh Ignacio Justin, Chang-Woo Kim, David W. McCamant, dan Ignacio Franco, 28 November 2023, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
doi: 10.1073/pnas.2309987120