دانشمندان به تازگی یک پازل کوانتومی را شکستند
دانشمندان به تازگی یک پازل کوانتومی را شکستند -این یافته‌ها را می‌توان برای طراحی مولکول‌هایی با ویژگی‌های انسجام کوانتومی سفارشی مورد استفاده قرار داد و پایه‌های شیمیایی را برای فناوری‌های کوانتومی در حال ظهور ایجاد کرد.
محققان روچستر استراتژی را برای درک چگونگی از بین رفتن انسجام کوانتومی برای مولکول‌های موجود در حلال با پیچیدگی کامل شیمیایی گزارش کرده‌اند.
این یافته‌ها دری را برای مدولاسیون منطقی انسجام کوانتومی از طریق طراحی شیمیایی و عامل‌سازی باز می‌کند.
این یافته‌ها را می‌توان برای طراحی مولکول‌هایی با ویژگی‌های انسجام کوانتومی سفارشی مورد استفاده قرار داد و پایه‌های شیمیایی را برای فناوری‌های کوانتومی در حال ظهور ایجاد کرد.
در مکانیک کوانتومی، ذرات می توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند و منطق تجربیات روزمره را به چالش بکشند.
این ویژگی که به عنوان برهم نهی کوانتومی شناخته می شود، پایه ای برای فناوری های کوانتومی در حال ظهور است که نوید تغییر محاسبات، ارتباطات و سنجش را می دهد.
اما برهم نهی های کوانتومی با یک چالش مهم روبرو هستند: ناهمدوسی کوانتومی.
در طی این فرآیند، برهم نهی ظریف حالات کوانتومی هنگام تعامل با محیط اطراف خود از بین می رود.
چالش ناهمدوسی کوانتومی
برای باز کردن قدرت شیمی برای ساختن معماری‌های مولکولی پیچیده برای کاربردهای عملی کوانتومی، دانشمندان باید ناهمدوسی کوانتومی را درک و کنترل کنند تا بتوانند مولکول‌هایی با ویژگی‌های انسجام کوانتومی خاص طراحی کنند.
انجام این کار مستلزم دانستن چگونگی اصلاح منطقی ساختار شیمیایی یک مولکول برای تعدیل یا کاهش ناهمدوسی کوانتومی است.
برای این منظور، دانشمندان باید «چگالی طیفی» را بدانند، کمیتی که خلاصه‌ای از سرعت حرکت محیط و میزان تعامل آن با سیستم کوانتومی را نشان می‌دهد.
پیشرفت در اندازه گیری چگالی طیفی
تا به حال، کمی کردن این چگالی طیفی به روشی که پیچیدگی‌های مولکول‌ها را به‌طور دقیق منعکس کند، به نظریه و آزمایش گریزان مانده است.
اما تیمی از دانشمندان روشی را برای استخراج چگالی طیفی برای مولکول‌ها در حلال با استفاده از آزمایش‌های رامان تشدید ساده ایجاد کرده‌اند – روشی که پیچیدگی کامل محیط‌های شیمیایی را به تصویر می‌کشد.
این تیم به رهبری ایگناسیو فرانکو، دانشیار شیمی و فیزیک در دانشگاه روچستر، یافته های خود را در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر کرد .
پیوند ساختار مولکولی به ناهمدوسی کوانتومی
با استفاده از چگالی طیفی استخراج‌شده، نه تنها می‌توان فهمید که دهمدنس چقدر سریع اتفاق می‌افتد، بلکه می‌توان تعیین کرد که کدام بخش از محیط شیمیایی بیشتر مسئول آن است.
در نتیجه، اکنون دانشمندان می‌توانند مسیرهای ناهمدوسی را برای اتصال ساختار مولکولی با ناهمدوسی کوانتومی ترسیم کنند.
شیمی از این ایده نشات می گیرد که ساختار مولکولی خواص شیمیایی و فیزیکی ماده را تعیین می کند.
این اصل طراحی مدرن مولکول ها را برای کاربردهای پزشکی، کشاورزی و انرژی هدایت می کند.
ایگناسیو گاستین، دانشجوی فارغ التحصیل شیمی در روچستر و اولین نویسنده این مطالعه، می گوید: با استفاده از این استراتژی، در نهایت می توانیم اصول طراحی شیمیایی را برای فناوری های نوظهور کوانتومی توسعه دهیم.
رزونانس آزمایشات رامان: یک ابزار کلیدی
این پیشرفت زمانی حاصل شد که تیم تشخیص داد که آزمایش‌های رامان رزونانسی تمام اطلاعات مورد نیاز برای مطالعه ناهمدوسی با پیچیدگی کامل شیمیایی را به دست می‌دهد.
چنین آزمایش‌هایی به طور معمول برای بررسی فتوشیمی و فتوشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما کاربرد آنها برای واهمدوسی کوانتومی مورد توجه قرار نگرفته بود.
بینش های کلیدی از گفتگو با دیوید مک کامانت، دانشیار دپارتمان شیمی در روچستر و متخصص در طیف سنجی رامان، و با چانگ وو کیم، که اکنون در دانشکده دانشگاه ملی Chonnam کره و متخصص در decoherence کوانتومی است، پدیدار شد. او یک محقق فوق دکترا در روچستر بود.
مطالعه موردی: عدم انسجام تیمین
این تیم برای اولین بار از روش خود استفاده کردند تا نشان دهند چگونه برهم نهی های الکترونیکی در تیمین، یکی از اجزای سازنده DNA ، تنها در 30 فمتوثانیه (یک فمتوثانیه یک میلیونم یک میلیاردم ثانیه است) پس از جذب آن آشکار می شود. نور فرابنفش.
آنها دریافتند که چند ارتعاش در مولکول بر مراحل اولیه فرآیند decoherence غالب است، در حالی که حلال بر مراحل بعدی غالب است.
علاوه بر این، آنها کشف کردند که تغییرات شیمیایی در تیمین می تواند به طور قابل توجهی نرخ ناهمدوسی را تغییر دهد، با فعل و انفعالات پیوند هیدروژنی در نزدیکی حلقه تیمین که منجر به ناپیوستگی سریعتر می شود.
مفاهیم و کاربردهای آینده
در نهایت، تحقیقات این تیم راه را برای درک اصول شیمیایی حاکم بر ناهمدوسی کوانتومی باز می کند.
فرانکو می‌گوید: «ما هیجان زده‌ایم که از این استراتژی استفاده کنیم تا سرانجام ناهمدوسی کوانتومی در مولکول‌هایی با پیچیدگی کامل شیمیایی را درک کنیم و از آن برای توسعه مولکول‌هایی با ویژگی‌های انسجام قوی استفاده کنیم.»
