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

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, la communication et la détection. Mais les superpositions quantiques sont confrontées à un défi de taille : la décohérence quantique. Au cours de ce processus, la délicate superposition des états quantiques se brise lors de l’interaction avec son environnement.

Pour libérer le pouvoir de la chimie et construire des architectures 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 d'une molécule pour moduler ou atténuer la décohérence quantique.

À cette fin, les scientifiques doivent connaître la « densité spectrale », la quantité qui résume la vitesse à laquelle l’environnement se déplace et la force avec laquelle il interagit avec le système quantique.

Jusqu’à présent, la théorie et l’expérimentation n’ont pas réussi à quantifier cette densité spectrale de manière à refléter avec précision les subtilités des molécules. Mais une équipe de scientifiques a développé une méthode pour extraire la densité spectrale des molécules dans un solvant à l'aide d'expériences Raman de résonance simples, 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 le Actes de l'Académie nationale des sciences.

En utilisant la densité spectrale extraite, il est possible non seulement de comprendre à quelle vitesse la décohérence 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 repose sur 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 technologies quantiques émergentes”, déclare Ignacio Gustin, étudiant diplômé en chimie à Rochester et premier auteur de l'étude.

La percée a eu lieu lorsque l’équipe a reconnu que les expériences Raman de résonance fournissaient toutes les informations nécessaires pour étudier la décohérence dans toute sa complexité chimique. De telles expériences sont couramment utilisées pour étudier la photophysique et la photochimie, mais leur utilité pour la décohérence quantique n'a pas été appréciée.

Les principales conclusions sont issues de discussions avec David McCamant, professeur agrégé au département de chimie 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 décohérence quantique, tandis que il était chercheur postdoctoral à Rochester.

L'équipe a utilisé sa méthode pour montrer, pour la première fois, comment les superpositions électroniques dans la thymine, l'un des éléments constitutifs de l'ADN, se défont en seulement 30 femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un millionième d'un milliardième de seconde) après son absorption des UV. lumière.

Ils ont constaté que quelques vibrations dans la molécule dominent les étapes initiales du processus de décohérence, 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 décohérence, les interactions entre liaisons hydrogène à proximité du cycle thymine conduisant à une décohérence plus rapide.

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 enfin comprendre la décohérence quantique dans des molécules présentant une complexité chimique complète et de l'utiliser pour développer des molécules dotées de propriétés de cohérence robustes”, déclare Franco.