Avance clave en química cuántica

En mecánica cuántica, las partículas pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo, desafiando la lógica de nuestra vida cotidiana. Esta propiedad, conocida como superposición cuántica, es la base de nuevas tecnologías cuánticas que prometen transformar la computación, las telecomunicaciones y los sistemas de detección. Pero las superposiciones cuánticas se enfrentan a un reto importante: la decoherencia cuántica. Durante este proceso, la delicada superposición de estados cuánticos se rompe al interactuar con el entorno que la rodea.

Para aprovechar el poder de la química en la construcción de arquitecturas moleculares complejas destinadas a aplicaciones cuánticas prácticas, se requiere comprender y controlar la decoherencia cuántica de modo que sea posible diseñar moléculas con propiedades específicas de coherencia cuántica. Para ello, es necesario saber cómo modificar la estructura química de una molécula para modular o mitigar la decoherencia cuántica. Esto requiere conocer la «densidad espectral», n valor que indica la rapidez con que se mueve el entorno y la intensidad con que interactúa con el sistema cuántico.

Tradicionalmente, cuantificar esta densidad espectral de forma que refleje con precisión los entresijos de las moléculas ha estado fuera del alcance de la teoría y la experimentación. Sin embargo, ahora un equipo integrado, entre otros, por Ignacio Gustin e Ignacio Franco, ambos de la Universidad de Rochester en Estados Unidos, ha desarrollado un método para averiguar la densidad espectral en el caso de moléculas ubicadas en un disolvente.

Gracias a la densidad espectral averiguada, no solo es posible determinar la rapidez con la que se produce la decoherencia, sino también saber qué parte del entorno químico es la principal responsable de ella. De este modo, los científicos pueden trazar rutas de decoherencia para conectar la estructura molecular con la decoherencia cuántica del modo menos problemático posible.

El equipo utilizó su método para mostrar, por primera vez, cómo las superposiciones electrónicas de la timina, uno de los componentes básicos del ADN, se desenredan en tan solo 30 femtosegundos tras su absorción de luz ultravioleta. Un femtosegundo es la millonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo.

Los autores del nuevo estudio han dado con una estrategia para averiguar cómo exactamente la decoherencia cuántica se pierde en moléculas. (Imagen: Anny Ostau De Lafont)

Descubrieron que unas pocas vibraciones de la molécula dominan los pasos iniciales del proceso de decoherencia, mientras que el disolvente domina las etapas posteriores. Además, descubrieron que las modificaciones químicas de la timina pueden alterar significativamente la velocidad de decoherencia, con interacciones de enlaces de hidrógeno cerca del anillo de timina que conducen a una decoherencia más rápida.

El estudio se titula “Mapping electronic decoherence pathways in molecules”. Y se ha publicado en la revista académica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). (Fuente: NCYT de Amazings)