Los investigadores dan un «importante salto adelante» con la simulación cuántica de la transferencia de electrones moleculares

Investigadores de la Universidad Rice han logrado un avance significativo en la simulación de la transferencia de electrones moleculares, un proceso fundamental que sustenta innumerables procesos físicos, químicos y biológicos. El estudio, publicado en Avances científicosdetalla el uso de un simulador cuántico de iones atrapados para modelar la dinámica de transferencia de electrones con una capacidad de ajuste sin precedentes, lo que abre nuevas oportunidades para la exploración científica en campos que van desde la electrónica molecular hasta la fotosíntesis.

La transferencia de electrones, fundamental para procesos como la respiración celular y la recolección de energía en las plantas, ha planteado durante mucho tiempo desafíos a los científicos debido a las complejas interacciones cuánticas involucradas. Las técnicas computacionales actuales a menudo no logran capturar el alcance completo de estos procesos. El equipo multidisciplinario de Rice, que incluía físicos, químicos y biólogos, abordó estos desafíos creando un sistema cuántico programable capaz de controlar de forma independiente los factores clave en la transferencia de electrones: brechas de energía entre donante y aceptor, acoplamientos electrónicos y vibrónicos y disipación ambiental.

Utilizando un cristal de iones atrapado en un sistema de vacío y manipulado por luz láser, los investigadores demostraron la capacidad de simular la dinámica de giro en tiempo real y medir las tasas de transferencia en una variedad de condiciones. Los hallazgos no sólo validan teorías clave de la mecánica cuántica, sino que también allanan el camino para conocimientos novedosos sobre sistemas de captación de luz y dispositivos moleculares.

«Esta es la primera vez que este tipo de modelo se simula en un dispositivo físico incluyendo el papel del medio ambiente e incluso adaptándolo de forma controlada», dijo el investigador principal Guido Pagano, profesor asistente de física y astronomía. «Representa un importante avance en nuestra capacidad de utilizar simuladores cuánticos para investigar modelos y regímenes que son relevantes para la química y la biología. La esperanza es que, aprovechando el poder de la simulación cuántica, eventualmente seremos capaces de explorar escenarios que actualmente inaccesible a los métodos computacionales clásicos.»

El equipo logró un hito importante al replicar con éxito un modelo estándar de transferencia de electrones moleculares utilizando una plataforma cuántica programable. A través de la ingeniería precisa de la disipación sintonizable, los investigadores exploraron regímenes de transferencia de electrones tanto adiabáticos como no adiabáticos, demostrando cómo estos efectos cuánticos operan en diferentes condiciones. Además, sus simulaciones identificaron condiciones óptimas para la transferencia de electrones, que son paralelas a los mecanismos de transporte de energía observados en los sistemas fotosintéticos naturales.

«Nuestro trabajo está impulsado por la pregunta: ¿Se puede utilizar hardware cuántico para simular directamente la dinámica química?» dijo Pagano. «Específicamente, ¿podemos incorporar efectos ambientales en estas simulaciones, ya que desempeñan un papel crucial en procesos esenciales para la vida, como la fotosíntesis y la transferencia de electrones en biomoléculas? Abordar esta pregunta es importante ya que la capacidad de simular directamente la transferencia de electrones en biomoléculas podría proporcionar información valiosa para diseñar nuevos materiales que recojan luz».

Las implicaciones para las aplicaciones prácticas son de gran alcance. Comprender los procesos de transferencia de electrones a este nivel podría conducir a avances en tecnologías de energía renovable, electrónica molecular e incluso el desarrollo de nuevos materiales para la computación cuántica.

«Este experimento es un primer paso prometedor para obtener una comprensión más profunda de cómo los efectos cuánticos influyen en el transporte de energía, particularmente en sistemas biológicos como los complejos fotosintéticos», dijo José N. Onuchic, coautor del estudio Harry C. y Olga K. Wiess. Catedrático de Física y catedrático de Física y Astronomía, Química y Biociencias. «Los conocimientos que obtenemos en este tipo de experimentos podrían inspirar el diseño de materiales de captación de luz más eficientes».

Peter G. Wolynes, coautor del estudio, profesor de ciencias de la Fundación DR Bullard-Welch y profesor de química, biociencias, física y astronomía, enfatizó la importancia más amplia de los hallazgos: «Esta investigación cierra la brecha entre las predicciones teóricas y la verificación experimental. , ofreciendo un marco exquisitamente ajustable para explorar procesos cuánticos en sistemas complejos».

El equipo planea ampliar sus simulaciones para incluir sistemas moleculares más complejos, como los implicados en la fotosíntesis y el transporte de carga del ADN. Los investigadores también esperan investigar el papel de la coherencia cuántica y la deslocalización en la transferencia de energía, aprovechando las capacidades únicas de su plataforma cuántica.

«Esto es sólo el comienzo», afirmó Han Pu, coautor principal del estudio y profesor de física y astronomía. «Estamos entusiasmados de explorar cómo esta tecnología puede ayudar a desentrañar los misterios cuánticos de la vida y más allá».

Los otros coautores del estudio incluyen a los estudiantes graduados Visal So, Midhuna Duraisamy Suganthi, Abhishek Menon, Mingjian Zhu y el científico investigador Roman Zhuravel.