En konstnärs intryck av de fotoniska kvantsimuleringarna. Det fotoniska chipet, består av vågledare styrda genom elektroniska guldledningar, ses som en filmprojektor. Ljuset från projektorn är kvant och filmen är utvecklingen av en ammoniakmolekyl som vibrerar bildruta för bildruta. I den här filmen, det initiala vibrationstillståndet för ammoniakmolekylen leder till en mycket hög sannolikhet att den kommer att förlora en av sina väteatomer i slutet av filmen. Flickan är en framtidens vetenskapsman som kommer att använda simulatorn som ett verktyg för molekylär modellering. Högen med rullar på golvet bredvid henne betyder att fotonchippets förmåga att omprogrammeras för att simulera vilken molekyl som helst. Målningen är av Credit:Eleonora Martorana, en examen från Roms konstakademi.
Forskare har visat hur ett optiskt chip kan simulera rörelsen av atomer inom molekyler på kvantnivå, vilket skulle kunna leda till bättre sätt att skapa kemikalier för användning som läkemedel.
Ett optiskt chip använder ljus för att bearbeta information, istället för el, och kan fungera som en kvantberäkningskrets när man använder enstaka ljuspartiklar, känd som fotoner. Data från chipet tillåter en bild-för-bild-rekonstruktion av atomiska rörelser för att skapa en virtuell film av en molekyls kvantvibrationer, vilket är det som ligger till grund för den forskning som publiceras idag i Natur .
Dessa fynd är resultatet av ett samarbete mellan forskare vid University of Bristol, MIT, IUPUI, Nokia Bell Labs, och NTT. Förutom att bana väg för effektivare läkemedelsutveckling, forskningen kan leda till nya metoder för molekylär modellering för industriella kemister.
När lasrar uppfanns på 1960-talet, experimentella kemister hade idén att använda dem för att bryta isär molekyler. Dock, vibrationerna i molekyler omfördelar snabbt laserenergin innan den avsedda molekylära bindningen bryts. Att kontrollera molekylers beteende kräver en förståelse för hur de vibrerar på kvantnivå. Men att modellera denna dynamik kräver enorm beräkningskraft, utöver vad vi kan förvänta oss av kommande generationer av superdatorer.
Quantum Engineering and Technology Labs i Bristol har banat väg för användningen av optiska chips, kontrollera enskilda fotoner av ljus, som grundläggande kretsar för kvantdatorer. Kvantdatorer förväntas vara exponentiellt snabbare än konventionella superdatorer när det gäller att lösa vissa problem. Ändå är det ett mycket utmanande långsiktigt mål att konstruera en kvantdator.
Som rapporterats i Natur , teamet visade en ny väg till molekylär modellering som kan bli en tidig tillämpning av fotonisk kvantteknologi. De nya metoderna utnyttjar en likhet mellan vibrationerna hos atomer i molekyler och fotoner av ljus i optiska chips.
Bristol fysiker Dr Anthony Laing, som ledde projektet, förklarade:"Vi kan tänka på atomerna i molekyler som förbundna med fjädrar. Över hela molekylen, de sammankopplade atomerna kommer att vibrera tillsammans, som en komplicerad dansrutin. På kvantnivå, dansens energi går upp eller ner i väldefinierade nivåer, som om takten i musiken har flyttats upp eller ner ett snäpp. Varje skåra representerar ett vibrationskvantum.
Dr Laings laboratorium där experimenten utfördes. Enstaka fotoner av ljus genereras med hjälp av en kraftfull Ti-Sapphire-laser, att pumpa en serie icke-linjära kristaller, drivs av Ph.D. student och medförfattare Nicola Maraviglia (till vänster). De enskilda fotonerna samlas in i optiska fibrer och injiceras i fotonchipet, bredvid Laing (höger). Infälld uppe till vänster är en närbild av fotonchippet taget av NTT-forskaren och medförfattaren, Nobuyuki Matsuda. Kredit:University of Bristol
"Ljus kommer också i kvantiserade paket som kallas fotoner. Matematiskt, ett ljuskvantum är som ett kvantum av molekylär vibration. Med hjälp av integrerade chips, vi kan kontrollera beteendet hos fotoner mycket exakt. Vi kan programmera ett fotoniskt chip för att efterlikna vibrationerna hos en molekyl.
"Vi programmerar chipet, kartlägga dess komponenter till strukturen av en viss molekyl, säg ammoniak, simulera sedan hur ett visst vibrationsmönster utvecklas under ett visst tidsintervall. Genom att ta många tidsintervaller, vi bygger i huvudsak upp en film om molekylär dynamik."
Första författare Dr. Chris Sparrow, som var elev i projektet, talade om simulatorns mångsidighet:"Chipet kan omprogrammeras på några sekunder för att simulera olika molekyler. I dessa experiment simulerade vi dynamiken hos ammoniak och en typ av formaldehyd, och andra mer exotiska molekyler. Vi simulerade en vattenmolekyl som nådde termisk jämvikt med sin miljö, och energitransport i ett proteinfragment.
"I den här typen av simulering, eftersom tiden är en kontrollerbar parameter, vi kan omedelbart hoppa till de mest intressanta punkterna i filmen. Eller spela simuleringen i slow motion. Vi kan till och med spola tillbaka simuleringen för att förstå ursprunget till ett visst vibrationsmönster."
Gemensam första författare, Dr. Enrique Martín-Lopéz, nu seniorforskare på Nokia Bell Labs, tillade:"Vi kunde också visa hur en maskininlärningsalgoritm kan identifiera den typ av vibration som bäst bryter isär en ammoniakmolekyl. En nyckelfunktion i den fotoniska simulatorn som möjliggör detta är dess spårning av energi som rör sig genom molekylen, från en lokaliserad vibration till en annan. Att vidareutveckla dessa kvantsimuleringstekniker har tydlig industriell relevans."
Det fotoniska chipet som användes i experimenten tillverkades av det japanska telekomföretaget NTT.
Dr. Laing förklarade huvudinriktningarna för forskningens framtid:"Att skala upp simulatorerna till en storlek där de kan ge en fördel jämfört med konventionella beräkningsmetoder kommer sannolikt att kräva felkorrigering eller felreducerande tekniker. Och vi vill vidareutveckla sofistikeringen. av molekylär modell som vi använder som programmet för simulatorn. En del av denna studie var att demonstrera tekniker som går utöver standardharmonisk approximation av molekylär dynamik. Vi måste driva dessa metoder för att öka den verkliga noggrannheten hos våra modeller.
"Det här tillvägagångssättet för kvantsimulering använder analogier mellan fotonik och molekylära vibrationer som utgångspunkt. Detta ger oss ett försprång när det gäller att kunna implementera intressanta simuleringar. Bygger på detta, vi hoppas att vi kan realisera kvantsimulerings- och modelleringsverktyg som ger en praktisk fördel under de kommande åren."
