在量子力學中，粒子可以同時以多種狀態存在，這違反了日常經驗的邏輯。這種特性被稱為量子疊加，是新興量子技術的基礎，有望改變計算、通訊和感測技術。但是，量子疊加面臨一個重大挑戰：量子退相干。在這過程中，量子態的微妙疊加會在與周圍環境相互作用時崩潰。

羅徹斯特大學的研究人員報告了一種策略，可用於了解分子在具有完全化學複雜性的溶劑中如何失去量子相干性。這些發現為透過化學設計和功能化合理地調節量子相干性打開了大門。

這些發現可用於設計具有客製化量子相干特性的分子，為新興量子技術奠定化學基礎。

量子退相干的挑戰

為了釋放化學的力量，為實際量子應用建構複雜的分子結構，科學家需要理解和控制量子退相干，從而設計出具有特定量子相干特性的分子。要做到這一點，就需要知道如何合理地改變分子的化學結構，以調節或減輕量子退相干。為此，科學家需要知道”譜密度”，這個量概括了環境移動的速度及其與量子系統相互作用的強度。

光譜密度測量的突破

迄今為止，理論和實驗仍然無法量化這種能準確反映分子複雜性的光譜密度。但是，一個科學家團隊已經開發出一種方法，可以利用簡單的共振拉曼實驗提取溶劑中分子的光譜密度–這種方法可以捕捉到化學環境的全部複雜性。在羅徹斯特大學化學和物理學副教授伊格納西奧-佛朗哥（Ignacio Franco）的領導下，該團隊在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的研究成果。

將分子結構與量子退相干連結起來

利用萃取的光譜密度，不僅可以了解退相干發生的速度，還可以確定化學環境的哪一部分對退相干負有主要責任。因此，科學家現在可以繪製退相干路徑圖，將分子結構與量子退相干連結起來。

“分子結構決定物質的化學和物理性質”是化學的基本原理。這項原理指導著現代醫學、農業和能源應用的分子設計。羅徹斯特大學的化學研究生、本研究的第一作者伊格納西奧-古斯汀（Ignacio Gustin）說：”利用這一策略，我們終於可以開始為新興的量子技術制定化學設計原則了。”

共振拉曼實驗： 關鍵工具

當研究小組認識到共振拉曼實驗可以產生研究具有完全化學複雜性的退相干性所需的全部資訊時，研究取得了突破性進展。這類實驗通常用於研究光物理和光化學，但它們在量子退相干方面的作用卻沒有被重視。羅徹斯特大學化學系副教授、拉曼光譜學專家大衛-麥卡曼（David McCamant）和韓國全南國立大學教師、量子退相干專家金昌宇（Chang Woo Kim）在羅徹斯特大學從事博士後研究期間，透過與他們的討論，提出了一些重要見解。

案例研究： 胸腺嘧啶退相干

研究團隊利用他們的方法首次展示了胸腺嘧啶（DNA 的組成成分之一）在吸收紫外線後如何在短短30 飛秒（1 飛秒是十億分之一秒的百萬分之一）內解開電子疊加。他們發現，分子中的一些振動主導了退相干過程的初始步驟，而溶劑則主導了後期階段。此外，他們還發現胸腺嘧啶的化學修飾會顯著改變退相干速率，胸腺嘧啶環附近的氫鍵相互作用會導致更快的退相干。

未來影響與應用

最終，研究小組的研究為理解量子退相干的化學原理開闢了道路。法蘭科說：”我們很高興能利用這種策略最終理解具有完全化學複雜性的分子中的量子退相干，並利用它來開發具有強大相干特性的分子。”

參考文獻：《繪製分子中的電子退相干途徑》，作者：Ignacio Gustin、Chang Woo Kim、David W. McCamant 和Ignacio Franco，2023 年11 月28 日，《美國國家科學院院刊》。

DOI: 10.1073/pnas.2309987120

編譯來源：ScitechDaily