Los científicos demuestran la supervivencia de la coherencia cuántica en una reacción química que involucra moléculas ultrafrías

Si amplía una reacción química al nivel cuántico, notará que las partículas se comportan como ondas que pueden ondularse y colisionar. Los científicos han buscado durante mucho tiempo comprender la coherencia cuántica, la capacidad de las partículas para mantener relaciones de fase y existir en múltiples estados simultáneamente; esto es similar a que todas las partes de una onda estén sincronizadas. Ha sido una cuestión abierta si la coherencia cuántica puede persistir a través de una reacción química donde los enlaces se rompen y se forman dinámicamente.

Ahora, por primera vez, un equipo de científicos de Harvard ha demostrado la supervivencia de la coherencia cuántica en una reacción química que involucra moléculas ultrafrías. Estos hallazgos resaltan el potencial de aprovechar las reacciones químicas para futuras aplicaciones en la ciencia de la información cuántica.

«Estoy extremadamente orgulloso de nuestro trabajo de investigación de una propiedad muy fundamental de una reacción química en la que realmente no sabíamos cuál sería el resultado», afirmó el coautor principal Kang-Kuen Ni, profesor de química Theodore William Richards y profesor de Física. «Fue realmente gratificante hacer un experimento para descubrir lo que nos dice la Madre Naturaleza».

En el artículo, publicado en Ciencia, los investigadores detallan cómo estudiaron una reacción química específica de intercambio de átomos en un ambiente ultrafrío que involucra ⁴⁰k⁸⁷Moléculas bialkali de Rb, donde dos moléculas de potasio-rubidio (KRb) reaccionan para formar potasio (K₂) y rubidio (Rb₂) productos.

El equipo preparó los espines nucleares iniciales en moléculas de KRb en ​​estado entrelazado manipulando campos magnéticos y luego examinó el resultado con herramientas especializadas. En el ambiente ultrafrío, el Laboratorio de Ni pudo rastrear los grados de libertad del espín nuclear y observar la intrincada dinámica cuántica subyacente al proceso de reacción y al resultado.

El trabajo fue realizado por varios miembros del laboratorio de Ni, incluidos Yi-Xiang Liu, Lingbang Zhu, Jeshurun ​​Luke, JJ Arfor Houwman, Mark C. Babin y Ming-Guang Hu.

Utilizando enfriamiento por láser y captura magnética, el equipo pudo enfriar sus moléculas a solo una fracción de grado por encima del cero absoluto. En este entorno ultrafrío, de sólo 500 nanoKelvin, las moléculas se ralentizan, lo que permite a los científicos aislar, manipular y detectar estados cuánticos individuales con notable precisión. Este control facilita la observación de efectos cuánticos como la superposición, el entrelazamiento y la coherencia, que desempeñan papeles fundamentales en el comportamiento de las moléculas y las reacciones químicas.

Al emplear técnicas sofisticadas, incluida la detección de coincidencias, donde los investigadores pueden seleccionar los pares exactos de productos de reacción de eventos de reacción individuales, los investigadores pudieron mapear y describir los productos de reacción con precisión. Anteriormente, observaron que la partición de energía entre el movimiento de rotación y traslación de las moléculas del producto era caótica. Por lo tanto, sorprende encontrar orden cuántico en forma de coherencia en la misma dinámica de reacción subyacente, esta vez en el grado de libertad del espín nuclear.

Los resultados revelaron que la coherencia cuántica se mantuvo dentro del grado de libertad del espín nuclear durante toda la reacción. La supervivencia de la coherencia implicó que las moléculas del producto, K₂ y rb₂, estaban en un estado entrelazado, heredando el entrelazamiento de los reactivos. Además, al inducir deliberadamente la decoherencia en los reactivos, los investigadores demostraron control sobre la distribución del producto de reacción.

De cara al futuro, Ni espera demostrar rigurosamente que las moléculas del producto estaban entrelazadas y es optimista en cuanto a que la coherencia cuántica puede persistir en entornos no ultrafríos.

«Creemos que el resultado es general y no necesariamente se limita a temperaturas bajas y podría ocurrir en condiciones más cálidas y húmedas», dijo Ni. «Eso significa que existe un mecanismo para las reacciones químicas que simplemente no conocíamos antes».

El primer coautor y estudiante de posgrado, Lingbang Zhu, ve el experimento como una oportunidad para ampliar la comprensión de las personas sobre las reacciones químicas en general.

«Estamos investigando fenómenos que posiblemente estén ocurriendo en la naturaleza», dijo Zhu. «Podemos intentar ampliar nuestro concepto a otras reacciones químicas. Aunque la estructura electrónica de KRb podría ser diferente, la idea de interferencia en las reacciones podría generalizarse también a otros sistemas químicos».