在量子力学中，粒子可以同时以多种状态存在，这违背了日常经验的逻辑。这种特性被称为量子叠加，是新兴量子技术的基础，有望改变计算、通信和传感。但量子叠加面临着一个重大挑战:量子退相干。在这个过程中，量子态的微妙叠加在与周围环境相互作用时被破坏。

为了释放化学的力量，为实际的量子应用构建复杂的分子结构，科学家需要理解和控制量子退相干，以便他们可以设计具有特定量子相干特性的分子。要做到这一点，需要知道如何合理地修改分子的化学结构，以调节或减轻量子退相干。

为此，科学家们需要知道“光谱密度”，即概括环境移动速度及其与量子系统相互作用强度的数量。

到目前为止，以一种准确反映分子复杂性的方式量化这种光谱密度在理论和实验中仍然是难以捉摸的。但是，一组科学家已经开发出一种方法，可以通过简单的共振拉曼实验提取溶剂中分子的光谱密度，这种方法可以捕捉到化学环境的全部复杂性。

由罗彻斯特大学化学和物理学副教授伊格纳西奥·佛朗哥领导的研究小组在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。

利用提取的光谱密度，不仅可以了解退相干发生的速度有多快，还可以确定化学环境的哪一部分对退相干主要负责。因此，科学家现在可以绘制退相干路径，将分子结构与量子退相干联系起来。

“化学建立在分子结构决定物质的化学和物理性质的观念之上。这一原理指导着用于医药、农业和能源应用的现代分子设计。利用这种策略，我们终于可以开始为新兴的量子技术开发化学设计原则，”罗切斯特大学的化学研究生、该研究的第一作者伊格纳西奥·古斯汀说。

当研究小组认识到共振拉曼实验获得了研究具有完全化学复杂性的退相干所需的所有信息时，突破就出现了。这类实验通常用于研究光物理和光化学，但它们对量子退相干的效用尚未得到重视。

关键的见解来自与罗切斯特大学化学系副教授、拉曼光谱学专家大卫·麦卡曼特(David McCamant)以及现任韩国全南国立大学(Chonnam National University)教员、量子退相干(quantum decoherence)专家金昌宇(Chang Woo Kim)的讨论，当时他是罗切斯特大学的博士后研究员。

该团队首次用他们的方法展示了胸腺嘧啶(DNA的组成部分之一)在吸收紫外线后的30飞秒(一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一)内的电子叠加是如何解开的。

他们发现，分子中的一些振动在退相干过程的最初步骤中占主导地位，而溶剂在后期阶段占主导地位。此外，他们发现对胸腺嘧啶的化学修饰可以显著改变退相干率，胸腺嘧啶环附近的氢键相互作用导致更快的退相干。

最终，该团队的研究为理解控制量子退相干的化学原理开辟了道路。“我们很高兴能够使用这种策略来最终理解具有完全化学复杂性的分子中的量子退相干，并利用它来开发具有强大相干性的分子，”Franco说。