在量子力学中，粒子可以同时以多种状态存在，这违背了日常经验的逻辑。这种特性被称为量子叠加，是新兴量子技术的基础，有望改变计算、通信和传感技术。但是，量子叠加面临着一个重大挑战：量子退相干。在这一过程中，量子态的微妙叠加会在与周围环境相互作用时崩溃。
罗切斯特大学的研究人员报告了一种策略，可用于了解分子在具有完全化学复杂性的溶剂中如何失去量子相干性。这些发现为通过化学设计和功能化合理调节量子相干性打开了大门。
这些发现可用于设计具有定制量子相干特性的分子，为新兴量子技术奠定化学基础。
量子退相干的挑战
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，从而设计出具有特定量子相干特性的分子。要做到这一点，就需要知道如何合理地改变分子的化学结构，以调节或减轻量子退相干。为此，科学家们需要知道"谱密度"，这个量概括了环境移动的速度及其与量子系统相互作用的强度。
光谱密度测量的突破
迄今为止，理论和实验仍然无法量化这种能准确反映分子复杂性的光谱密度。但是，一个科学家团队已经开发出一种方法，可以利用简单的共振拉曼实验提取溶剂中分子的光谱密度--这种方法可以捕捉到化学环境的全部复杂性。在罗切斯特大学化学和物理学副教授伊格纳西奥-佛朗哥（Ignacio Franco）的领导下，该团队在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究成果。
将分子结构与量子退相干联系起来
利用提取的光谱密度，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对退相干负有主要责任。因此，科学家现在可以绘制退相干路径图，将分子结构与量子退相干联系起来。
"分子结构决定物质的化学和物理性质"是化学的基本原理。这一原理指导着现代医学、农业和能源应用的分子设计。罗切斯特大学的化学研究生、本研究的第一作者伊格纳西奥-古斯汀（Ignacio Gustin）说："利用这一策略，我们终于可以开始为新兴的量子技术制定化学设计原则了。"
共振拉曼实验： 关键工具
当研究小组认识到共振拉曼实验可以产生研究具有完全化学复杂性的退相干性所需的全部信息时，研究取得了突破性进展。这类实验通常用于研究光物理和光化学，但它们在量子退相干方面的作用却没有得到重视。罗切斯特大学化学系副教授、拉曼光谱学专家大卫-麦卡曼（David McCamant）和韩国全南国立大学教师、量子退相干专家金昌宇（Chang Woo Kim）在罗切斯特大学从事博士后研究期间，通过与他们的讨论，提出了一些重要见解。
案例研究： 胸腺嘧啶退相干
研究小组利用他们的方法首次展示了胸腺嘧啶（DNA 的组成成分之一）在吸收紫外线后如何在短短 30 飞秒（1 飞秒是十亿分之一秒的百万分之一）内解开电子叠加。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，而溶剂则主导了后期阶段。此外，他们还发现胸腺嘧啶的化学修饰会显著改变退相干速率，胸腺嘧啶环附近的氢键相互作用会导致更快的退相干。
未来影响和应用
最终，研究小组的研究为理解量子退相干的化学原理开辟了道路。弗兰科说："我们很高兴能利用这种策略最终理解具有完全化学复杂性的分子中的量子退相干，并利用它来开发具有强大相干特性的分子。"
参考文献：《绘制分子中的电子退相干途径》，作者：Ignacio Gustin、Chang Woo Kim、David W. McCamant 和 Ignacio Franco，2023 年 11 月 28 日，《美国国家科学院院刊》。
DOI: 10.1073/pnas.2309987120
编译来源：ScitechDaily
