新策略揭示了量子退相干的完整化学复杂性
在量子力学中，粒子可以同时存在于多种状态，这违背了日常经验的逻辑。这种被称为量子叠加的特性是新兴量子技术的基础，有望改变计算、通信和传感。但量子叠加面临着一个重大挑战：量子退相干。在此过程中，量子态的微妙叠加在与周围环境相互作用时被破坏。
为了释放化学的力量，为实际量子应用构建复杂的分子结构，科学家需要理解和控制量子退相干，以便他们可以设计具有特定量子相干特性的分子。这样做需要知道如何合理地修改分子的化学结构以调节或减轻量子退相干。为此，科学家需要知道“光谱密度”，这个量概括了环境移动的速度以及它与量子系统相互作用的强度。
到目前为止，以准确反映分子复杂性的方式量化这种光谱密度对于理论和实验来说仍然是难以捉摸的。但一组科学家开发了一种方法，可以使用简单的共振拉曼实验提取溶剂中分子的光谱密度，这种方法可以捕获化学环境的全部复杂性。由罗彻斯特大学化学和物理学副教授 Ignacio Franco领导 < a i=4>，该团队在美国国家科学院院刊上发表了他们的研究结果。
使用提取的光谱密度，不仅可以了解退相干发生的速度，还可以确定化学环境的哪一部分是造成退相干的主要原因。因此，科学家现在可以绘制退相干路径，将分子结构与量子退相干联系起来。
“化学的基础是分子结构决定物质的化学和物理性质。这一原则指导着医学、农业和能源应用分子的现代设计。使用这一策略，我们最终可以开始为新兴量子技术开发化学设计原理。”该研究的第一作者、罗彻斯特大学化学研究生伊格纳西奥·古斯汀(Ignacio Gustin)说道。
当团队认识到共振拉曼实验可以提供研究具有完整化学复杂性的退相干所需的所有信息时，突破就出现了。此类实验通常用于研究光物理学和光化学，但它们在量子退相干方面的实用性尚未得到重视。这些关键见解是在与罗切斯特大学化学系副教授、拉曼光谱专家 David McCamant以及 Chang Woo Kim 的讨论中得出的，他现在在韩国全南国立大学任教，是量子退相干方面的专家，同时他还是罗切斯特大学的博士后研究员。
该团队使用他们的方法首次展示了胸腺嘧啶(DNA 的组成部分之一)中的电子叠加如何在吸收紫外线后在短短 30 飞秒(一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一)内瓦解。光。他们发现分子中的一些振动主导了退相干过程的初始步骤，而溶剂主导了后期阶段。此外，他们发现胸腺嘧啶的化学修饰可以显着改变退相干速率，胸腺嘧啶环附近的氢键相互作用导致更快的退相干。
最终，该团队的研究为理解控制量子退相干的化学原理开辟了道路。 Franco 说：“我们很高兴能够利用这种策略最终了解具有完全化学复杂性的分子中的量子退相干性，并利用它来开发具有强大相干特性的分子。”
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