En mécanique quantique, les particules peuvent exister dans plusieurs états en même temps, défiant la logique de l’expérience quotidienne. Cette propriété, connue sous le nom de superposition quantique, est à la base des technologies quantiques émergentes qui promettent de transformer l’informatique, les communications et la détection. Cependant, la superposition quantique est confrontée à un défi majeur : la décohérence quantique. Dans ce processus, une délicate superposition d’états quantiques s’effondre au fur et à mesure qu’elle interagit avec son environnement.
Des chercheurs de l'Université de Rochester présentent une stratégie permettant de comprendre comment les molécules perdent leur cohérence quantique dans des solvants présentant une complexité chimique totale. Ces découvertes ouvrent la porte à un réglage rationnel de la cohérence quantique grâce à la conception chimique et à la fonctionnalisation.
Ces résultats pourraient être utilisés pour concevoir des molécules dotées de propriétés de cohérence quantique adaptées, jetant ainsi les bases chimiques des technologies quantiques émergentes.
Le défi de la décohérence quantique
Pour libérer la puissance de la chimie et construire des structures moléculaires complexes destinées à des applications quantiques pratiques, les scientifiques doivent comprendre et contrôler la décohérence quantique afin de concevoir des molécules dotées de propriétés de cohérence quantique spécifiques. Pour ce faire, il faut savoir comment modifier rationnellement la structure chimique des molécules pour moduler ou atténuer la décohérence quantique. Pour ce faire, les scientifiques doivent connaître la « densité spectrale », une quantité qui résume la vitesse à laquelle l’environnement se déplace et la force avec laquelle il interagit avec le système quantique.
Une percée dans la mesure de la densité spectrale
À ce jour, la théorie et l’expérience n’ont pas réussi à quantifier cette densité spectrale, qui reflète fidèlement la complexité de la molécule. Mais une équipe de scientifiques a développé une méthode pour extraire la densité spectrale des molécules dans un solvant à l’aide d’une simple expérience Raman de résonance – une méthode qui capture toute la complexité de l’environnement chimique. Dirigée par Ignacio Franco, professeur agrégé de chimie et de physique à l'Université de Rochester, l'équipe a publié ses conclusions dans les Actes de l'Académie nationale des sciences.
Relier la structure moléculaire à la décohérence quantique
En utilisant les densités spectrales extraites, il est possible non seulement de comprendre la rapidité avec laquelle la décohérence se produit, mais également de déterminer quelle partie de l'environnement chimique est principalement responsable de la décohérence. En conséquence, les scientifiques peuvent désormais cartographier les voies de décohérence, reliant la structure moléculaire à la décohérence quantique.
« La structure moléculaire détermine les propriétés chimiques et physiques des substances » est un principe de base de la chimie. Ce principe guide la conception de molécules destinées aux applications modernes en médecine, en agriculture et en énergie. "Grâce à cette stratégie, nous pouvons enfin commencer à développer des principes de conception chimique pour les technologies quantiques émergentes", a déclaré Ignacio Gustin, étudiant diplômé en chimie à l'Université de Rochester et premier auteur de l'étude.
Expériences Raman résonantes : outils clés
La percée a eu lieu lorsque l’équipe a réalisé que les expériences Raman résonnantes pouvaient fournir 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 rôle dans la décohérence quantique n'a pas été apprécié. David McCamant, professeur agrégé au département de chimie de l'Université de Rochester et expert en spectroscopie Raman, et Chang Woo Kim, professeur à l'Université nationale de Chonnam en Corée du Sud et expert en décohérence quantique, ont fourni des informations importantes à travers des discussions avec eux au cours de leurs recherches postdoctorales à l'Université de Rochester.
Étude de cas : Décohérence du thymine
L’équipe a utilisé sa méthode pour montrer pour la première fois comment la thymine, l’un des éléments constitutifs de l’ADN, déroule la superposition électronique en seulement 30 femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde) après avoir absorbé la lumière ultraviolette. Ils ont constaté que certaines vibrations dans la molécule dominaient les étapes initiales du processus de décohérence, tandis que le solvant dominait les étapes ultérieures. De plus, ils ont découvert que la modification chimique de la thymine modifie considérablement le taux de décohérence, les interactions de liaison hydrogène près du cycle thymine provoquant une décohérence plus rapide.
Implications et applications futures
À terme, l’étude de l’équipe ouvre la voie à la compréhension de la chimie de 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 fortes propriétés cohérentes", a déclaré Franco.
Référence : « Mapping Electron Decoherence Pathways in Molecules », auteur : Ignacio Gustin, Chang Woo Kim, David W. McCamant et Ignacio Franco, 28 novembre 2023, « Actes de l'Académie nationale des sciences ».
DOI:10.1073/pnas.2309987120
Source compilée : ScitechDaily