新しい戦略で量子適合の「完全な化学的複雑性」が明らかに

この発見は、カスタマイズされた量子コヒーレンス特性を有する分子を設計するために使用することができ、これは新興量子技術の化学的基盤を提供することができる。

量子力学では、粒子は日常経験の論理を無視しながら同時に複数の状態で存在することができる。 量子入れ子として知られているこのプロパティは、コンピューティング、通信、および検出を変える新しい量子技術の基礎です。 しかし、量子入れ子は量子適合という重要な課題に直面しています。 このプロセスでは、量子状態の繊細な重なりは、周​​囲の環境と相互作用すると崩壊します。

量子適合の挑戦

実用的な量子応用のための複雑な分子構造を構築するために化学の力を利用するためには、科学者は量子コヒーレンス特性を理解し制御して特定の量子コヒーレンス特性を持つ分子を設計することができなければなりません。 これを行うには、量子コヒーレンスを制御または軽減するために分子の化学構造を合理的に変更する方法を知る必要があります。 そのためには、科学者たちは、環境がどれだけ速く動き、量子システムとどれだけ強く相互作用するかを要約する量である「スペクトル密度」を知る必要があります。

スペクトル密度測定の画期的な発展

これまで、分子の複雑さを正確に反映する方法でこのスペクトル密度を定量化することは、理論と実験で把握するのが難しいままです。 しかし、ある科学者のチームが単純な共鳴ラマン実験を用いて溶媒中の分子のスペクトル密度を抽出する方法、すなわち化学環境の全体的な複雑さを捉える方法を開発した。 ロチェスター大学の化学・物理学部教授であるイグナシオ・フランコが率いるチームは、彼らの研究結果を次のように発表しました。 国立科学院（National Academy of Sciences）の出版物。

分子構造を量子結合と結び付ける

抽出されたスペクトル密度を使用すると、欠陥がどれだけ早く発生するかを理解できるだけでなく、化学環境のどの部分が欠陥に最も影響を与えるかを判断することもできます。 その結果、科学者たちは分子構造を量子コヒーレンスと結び付けるために欠陥パスをマッピングすることができます。

「化学は、分子構造が物質の化学的、物理的特性を決定するという考えから始まります。 この原理は、医学、農業、エネルギー用途のための現代的な分子設計のガイドラインになります。 この戦略を使用して、私たちは最終的に新しい量子技術のための化学設計の原則を開発し始めることができます。

共鳴ラマン実験：コアツール

研究チームは、共鳴ラマン実験によって完全な化学的複雑さを伴う欠陥を研究するために必要なすべての情報を得ることができるという事実を認識しながら、画期的な発展を遂げました。 これらの実験は、光物理学および光化学を調査するために日常的に使用されるが、量子適合の有用性は評価されなかった。 コア洞察力は、ロチェスター大学化学科副教授であり、ラマン分光学の専門家であるDavid McCamantと現在、韓国全南大学教授であり、両者の合同専門家であるキム・チャンウとの議論から出てきました。 彼はロチェスターの博士後研究者だった。

ケーススタディ：チミンフィット

研究チームは彼らの方法を使用して、チミンのコンポーネントの1つであるチミンの電子重複がどのように行われるのかを初めて示しました。 DNA、紫外線を吸収した後、わずか30フェムト秒（1フェムト秒は100万分の1秒）で解けます。 彼らは、分子のいくつかの振動が適合プロセスの初期段階を支配するのに対し、溶媒は後期段階を支配することを発見した。 さらに、彼らは、チミンへの化学的修飾が結合速度を大幅に変化させる可能性があり、チミン環の近くの水素結合相互作用によってより速い結合が生じることを発見した。

将来の示唆と適用

最終的に、チームの研究は、量子適合を支配する化学原理を理解する道を開きます。 Francoは、「この戦略を使用して、完全な化学的複雑性を持つ分子の量子適合を最終的に理解し、それを使用して強力な適合特性を持つ分子を開発することを嬉しく思います」と述べました。

参考文献：Ignacio Gustin、キム・チャンウ、David W. McCamant、およびIgnacio Francoによる「分子内電子適合経路マッピング」、2023年11月28日、 国立科学院（National Academy of Sciences）の出版物。
DOI: 10.1073/pnas.2309987120