Wetenschappers hebben laten zien hoe een optische chip de beweging van atomen in moleculen op kwantumniveau kan simuleren. wat zou kunnen leiden tot betere manieren om chemicaliën te maken voor gebruik als geneesmiddelen.

Een optische chip gebruikt licht om informatie te verwerken, in plaats van elektriciteit, en kan werken als een kwantumcomputercircuit bij gebruik van enkele lichtdeeltjes, bekend als fotonen. Gegevens van de chip maken een frame-voor-frame reconstructie van atomaire bewegingen mogelijk om een ​​virtuele film te maken van de kwantumtrillingen van een molecuul. dat is wat de kern vormt van het onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur .

Deze bevindingen zijn het resultaat van een samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Bristol, MIT, IUPUI, Nokia Bell Labs, en NTT. Naast het effenen van de weg voor efficiëntere farmaceutische ontwikkelingen, het onderzoek zou kunnen leiden tot nieuwe methoden voor moleculaire modellering voor industriële chemici.

Toen lasers in de jaren zestig werden uitgevonden, experimentele chemici kwamen op het idee om ze te gebruiken om moleculen uit elkaar te halen. Echter, de trillingen in moleculen herverdelen de laserenergie snel voordat de beoogde moleculaire binding wordt verbroken. Om het gedrag van moleculen te beheersen, is inzicht nodig in hoe ze op kwantumniveau trillen. Maar het modelleren van deze dynamiek vereist enorme rekenkracht, verder gaan dan wat we kunnen verwachten van de komende generaties supercomputers.

De Quantum Engineering and Technology Labs in Bristol hebben een pioniersrol gespeeld in het gebruik van optische chips, het regelen van enkele fotonen van licht, als basiscircuit voor kwantumcomputers. Van quantumcomputers wordt verwacht dat ze exponentieel sneller zijn dan conventionele supercomputers bij het oplossen van bepaalde problemen. Toch is het bouwen van een kwantumcomputer een zeer uitdagend langetermijndoel.

Zoals gemeld in Natuur , het team demonstreerde een nieuwe route naar moleculaire modellering die een vroege toepassing van fotonische kwantumtechnologieën zou kunnen worden. De nieuwe methoden maken gebruik van een overeenkomst tussen de trillingen van atomen in moleculen en fotonen van licht in optische chips.

Bristol-fysicus Dr. Anthony Laing, die het project leidde, legde uit:"We kunnen de atomen in moleculen zien als verbonden door veren. Over het hele molecuul, de verbonden atomen zullen collectief trillen, als een ingewikkelde dansroutine. Op kwantumniveau de energie van de dans gaat omhoog of omlaag in goed gedefinieerde niveaus, alsof het ritme van de muziek een tandje hoger of lager is. Elke inkeping vertegenwoordigt een kwantum van trillingen.

"Licht komt ook voor in gekwantiseerde pakketten die fotonen worden genoemd. Wiskundig gezien een kwantum van licht is als een kwantum van moleculaire vibratie. Met behulp van geïntegreerde chips, we kunnen het gedrag van fotonen heel precies sturen. We kunnen een fotonische chip programmeren om de trillingen van een molecuul na te bootsen.

"Wij programmeren de chip, het in kaart brengen van zijn componenten aan de structuur van een bepaald molecuul, zeg ammoniak, simuleer vervolgens hoe een bepaald trillingspatroon zich over een bepaald tijdsinterval ontwikkelt. Door veel tijdsintervallen te nemen, we bouwen in wezen een film op van de moleculaire dynamica."

Eerste auteur Dr. Chris Sparrow, die student was aan het project, sprak over de veelzijdigheid van de simulator:"De chip kan in een paar seconden worden geherprogrammeerd om verschillende moleculen te simuleren. In deze experimenten hebben we de dynamiek van ammoniak en een soort formaldehyde gesimuleerd, en andere meer exotische moleculen. We simuleerden een watermolecuul dat thermisch evenwicht bereikt met zijn omgeving, en energietransport in een eiwitfragment.

"In dit soort simulatie, omdat tijd een regelbare parameter is, we kunnen meteen naar de meest interessante punten van de film springen. Of speel de simulatie in slow motion af. We kunnen de simulatie zelfs terugspoelen om de oorsprong van een bepaald trillingspatroon te begrijpen."

Gezamenlijke eerste auteur, Dr. Enrique Martín-Lopez, nu senior onderzoeker bij Nokia Bell Labs, toegevoegd:"We konden ook laten zien hoe een machine learning-algoritme het type trilling kan identificeren dat een ammoniakmolecuul het beste uit elkaar haalt. Een belangrijk kenmerk van de fotonische simulator die dit mogelijk maakt, is het volgen van energie die door het molecuul beweegt, van de ene gelokaliseerde trilling naar de andere. Het verder ontwikkelen van deze kwantumsimulatietechnieken heeft een duidelijke industriële relevantie."

De fotonische chip die in de experimenten werd gebruikt, is gemaakt door het Japanse telecombedrijf NTT.

Dr. Laing legde de belangrijkste richtingen voor de toekomst van het onderzoek uit:"Het opschalen van de simulatoren tot een grootte waar ze een voordeel kunnen bieden ten opzichte van conventionele computermethoden, zal waarschijnlijk foutcorrectie of foutbeperkende technieken vereisen. En we willen de verfijning verder ontwikkelen van een moleculair model dat we gebruiken als het programma voor de simulator. Een deel van deze studie was om technieken te demonstreren die verder gaan dan de standaard harmonische benadering van moleculaire dynamica. We moeten deze methoden pushen om de real-world nauwkeurigheid van onze modellen te vergroten.

“Deze benadering van kwantumsimulatie gebruikt analogieën tussen fotonica en moleculaire trillingen als uitgangspunt. Dit geeft ons een voorsprong bij het kunnen implementeren van interessante simulaties. we hopen dat we de komende jaren kwantumsimulatie- en modelleringstools kunnen realiseren die een praktisch voordeel bieden."