Forskere bruger en fotonisk kvantsimulator til at lave virtuelle film af molekyler, der vibrerer

Forskere har vist, hvordan en optisk chip kan simulere atomernes bevægelse inden for molekyler på kvante niveau, hvilket kunne føre til bedre måder at skabe kemikalier til brug som lægemidler.

En optisk chip bruger lys til at behandle oplysninger, i stedet for elektricitet, og kan fungere som et kvanteberegningskredsløb ved brug af enkelte lyspartikler, kendt som fotoner. Data fra chippen tillader en rekonstruktion af atomer for at oprette en virtuel film af et molekyls kvantevibrationer, ramme for ramme, hvilket er kernen i forskningen, der i dag er offentliggjort i Natur .

Disse fund er resultatet af et samarbejde mellem forskere ved University of Bristol, MIT, IUPUI, Nokia Bell Labs, og NTT. Ud over at bane vejen for en mere effektiv lægemiddeludvikling, forskningen kunne tilskynde til nye metoder til molekylær modellering for industrielle kemikere.

Da lasere blev opfundet i 1960'erne, eksperimentelle kemikere havde ideen om at bruge dem til at adskille molekyler. Imidlertid, vibrationerne i molekylerne omfordeler hurtigt laserenergien, før den påtænkte molekylære binding brydes. Kontrol af molekylers adfærd kræver en forståelse af, hvordan de vibrerer på kvante niveau. Men modellering af denne dynamik kræver massiv beregningskraft, ud over, hvad vi kan forvente af kommende generationer af supercomputere.

Quantum Engineering and Technology Labs i Bristol har været banebrydende i brugen af ​​optiske chips, styring af enkeltfotoner af lys, som grundlæggende kredsløb til kvantecomputere. Kvantecomputere forventes at være eksponentielt hurtigere end konventionelle supercomputere til at løse visse problemer. Men konstruktion af en kvantecomputer er et meget udfordrende langsigtet mål.

Som rapporteret i Natur , teamet demonstrerede en ny vej til molekylær modellering, der kunne blive en tidlig anvendelse af fotoniske kvanteteknologier. De nye metoder udnytter en lighed mellem vibrationer af atomer i molekyler og fotoner af lys i optiske chips.

Bristol -fysiker Dr. Anthony Laing, der ledede projektet, forklarede:"Vi kan tænke på atomer i molekyler som forbundet med fjedre. På tværs af hele molekylet, de tilsluttede atomer vil kollektivt vibrere, som en kompliceret danserutine. På et kvante niveau, dansens energi går op eller ned i veldefinerede niveauer, som om musikens takt har bevæget sig et hak op eller ned. Hvert hak repræsenterer en kvantitet af vibrationer.

"Lys kommer også i kvantiserede pakker kaldet fotoner. Matematisk, en kvant af lys er som en kvante af molekylær vibration. Ved hjælp af integrerede chips, vi kan kontrollere fotons adfærd meget præcist. Vi kan programmere en fotonisk chip til at efterligne vibrationer i et molekyle.

"Vi programmerer chippen, kortlægge dets komponenter til strukturen af ​​et bestemt molekyle, sige ammoniak, simuler derefter, hvordan et bestemt vibrationsmønster udvikler sig over et tidsinterval. Ved at tage mange tidsintervaller, vi bygger i det væsentlige en film om molekylær dynamik. "

Første forfatter Dr. Chris Sparrow, hvem var elev på projektet, talte om simulatorens alsidighed:"Chippen kan omprogrammeres på få sekunder for at simulere forskellige molekyler. I disse forsøg simulerede vi dynamikken i ammoniak og en form for formaldehyd, og andre mere eksotiske molekyler. Vi simulerede et vandmolekyle, der nåede termisk ligevægt med sit miljø, og energitransport i et proteinfragment.

"I denne form for simulering, fordi tiden er en kontrollerbar parameter, vi kan straks springe til filmens mest interessante punkter. Eller spil simuleringen i slowmotion. Vi kan endda spole simuleringen tilbage for at forstå oprindelsen til et bestemt vibrationsmønster. "

Fælles første forfatter, Dr. Enrique Martín-Lopéz, nu seniorforsker med Nokia Bell Labs, tilføjede:"Vi var også i stand til at vise, hvordan en maskinlæringsalgoritme kan identificere den type vibration, der bedst bryder et ammoniakmolekyle fra hinanden. Et centralt træk ved den fotoniske simulator, der muliggør dette, er dens sporing af energi, der bevæger sig gennem molekylet, fra en lokaliseret vibration til en anden. Udvikling af disse kvantesimuleringsteknikker har yderligere en klar industriel relevans. "

Den fotoniske chip, der blev brugt i eksperimenterne, blev fremstillet af det japanske teleselskab NTT.

Dr. Laing forklarede de vigtigste retninger for forskningens fremtid:"Opskalering af simulatorerne til en størrelse, hvor de kan give en fordel i forhold til konventionelle computermetoder, vil sandsynligvis kræve fejlkorrektion eller fejlreducerende teknikker. Og vi ønsker at videreudvikle raffinementet af molekylær model, som vi bruger som programmet til simulatoren. En del af denne undersøgelse var at demonstrere teknikker, der går ud over den standard harmoniske tilnærmelse af molekylær dynamik. Vi er nødt til at skubbe til disse metoder for at øge vores modells nøjagtighed.

"Denne tilgang til kvantesimulering bruger analogier mellem fotonik og molekylære vibrationer som udgangspunkt. Dette giver os et forspring i at kunne implementere interessante simuleringer. Bygger på dette, vi håber, at vi kan realisere kvantesimulerings- og modelleringsværktøjer, der giver en praktisk fordel i de kommende år. "