La impresión de un artista de las simulaciones cuánticas fotónicas. El chip fotónico compuesto por guías de ondas controladas a través de cableado electrónico dorado, se ve como un proyector de películas. La luz del proyector es cuántica y la película es la evolución cuadro a cuadro de una molécula de amoníaco que vibra. En esta película, el estado vibratorio inicial de la molécula de amoníaco conduce a una probabilidad muy alta de que pierda uno de sus átomos de hidrógeno al final de la película. La niña es una científica del futuro que utilizará el simulador como herramienta de modelado molecular. La pila de bobinas en el suelo junto a ella significa que la capacidad del chip fotónico de reprogramarse para simular cualquier molécula. La pintura es de Crédito:Eleonora Martorana, Graduado de la Academia de Bellas Artes de Roma.
Los científicos han demostrado cómo un chip óptico puede simular el movimiento de los átomos dentro de las moléculas a nivel cuántico, lo que podría conducir a mejores formas de crear productos químicos para su uso como productos farmacéuticos.
Un chip óptico usa luz para procesar información, en lugar de electricidad, y puede funcionar como un circuito de computación cuántica cuando se utilizan partículas individuales de luz, conocidos como fotones. Los datos del chip permiten una reconstrucción fotograma a fotograma de los movimientos atómicos para crear una película virtual de las vibraciones cuánticas de una molécula. que es el núcleo de la investigación publicada hoy en Naturaleza .
Estos hallazgos son el resultado de una colaboración entre investigadores de la Universidad de Bristol, MIT, IUPUI, Laboratorios Nokia Bell, y NTT. Además de allanar el camino para desarrollos farmacéuticos más eficientes, la investigación podría impulsar nuevos métodos de modelado molecular para químicos industriales.
Cuando se inventaron los láseres en la década de 1960, los químicos experimentales tuvieron la idea de usarlos para romper moléculas. Sin embargo, las vibraciones dentro de las moléculas redistribuyen rápidamente la energía del láser antes de que se rompa el enlace molecular pretendido. Controlar el comportamiento de las moléculas requiere comprender cómo vibran a nivel cuántico. Pero modelar estas dinámicas requiere un poder computacional masivo, más allá de lo que podemos esperar de las próximas generaciones de supercomputadoras.
Los laboratorios de tecnología e ingeniería cuántica de Bristol han sido pioneros en el uso de chips ópticos, controlando fotones individuales de luz, como circuito básico para computadoras cuánticas. Se espera que las computadoras cuánticas sean exponencialmente más rápidas que las supercomputadoras convencionales para resolver ciertos problemas. Sin embargo, construir una computadora cuántica es un objetivo a largo plazo muy desafiante.
Como se informó en Naturaleza , el equipo demostró una nueva ruta hacia el modelado molecular que podría convertirse en una de las primeras aplicaciones de las tecnologías cuánticas fotónicas. Los nuevos métodos aprovechan una similitud entre las vibraciones de los átomos en las moléculas y los fotones de luz en los chips ópticos.
Dr. Anthony Laing, físico de Bristol, quien lideró el proyecto, explicó:"Podemos pensar que los átomos de las moléculas están conectados por resortes. En toda la molécula, los átomos conectados vibrarán colectivamente, como una complicada rutina de baile. A nivel cuántico, la energía del baile sube o baja en niveles bien definidos, como si el ritmo de la música se hubiera movido hacia arriba o hacia abajo un poco. Cada muesca representa un cuanto de vibración.
El laboratorio del Dr. Laing donde se realizaron los experimentos. Los fotones individuales de luz se generan utilizando un potente láser Ti-Sapphire, para bombear una serie de cristales no lineales, operado por Ph.D. la estudiante y coautora Nicola Maraviglia (izquierda). Los fotones individuales se recogen en fibras ópticas y se inyectan en el chip fotónico, junto a Laing (derecha). El recuadro superior izquierdo es un primer plano del chip fotónico tomado por el científico y coautor de NTT, Nobuyuki Matsuda. Crédito:Universidad de Bristol
"La luz también viene en paquetes cuantificados llamados fotones. Matemáticamente, un cuanto de luz es como un cuanto de vibración molecular. Usando chips integrados, podemos controlar el comportamiento de los fotones con mucha precisión. Podemos programar un chip fotónico para imitar las vibraciones de una molécula.
"Programamos el chip, mapear sus componentes a la estructura de una molécula en particular, di amoniaco, luego simule cómo evoluciona un patrón vibratorio particular durante un intervalo de tiempo. Tomando muchos intervalos de tiempo, esencialmente construimos una película de la dinámica molecular ".
Primer autor Dr. Chris Sparrow, quien era estudiante en el proyecto, habló de la versatilidad del simulador:"El chip se puede reprogramar en unos segundos para simular diferentes moléculas. En estos experimentos simulamos la dinámica del amoníaco y un tipo de formaldehído, y otras moléculas más exóticas. Simulamos una molécula de agua que alcanza el equilibrio térmico con su entorno, y transporte de energía en un fragmento de proteína.
"En este tipo de simulación, porque el tiempo es un parámetro controlable, podemos saltar inmediatamente a los puntos más interesantes de la película. O reproduce la simulación en cámara lenta. Incluso podemos rebobinar la simulación para comprender los orígenes de un patrón vibratorio particular ".
Primer autor conjunto, Dr. Enrique Martín-Lopéz, ahora investigador sénior de Nokia Bell Labs, agregó:"También pudimos mostrar cómo un algoritmo de aprendizaje automático puede identificar el tipo de vibración que mejor rompe una molécula de amoníaco. Una característica clave del simulador fotónico que permite esto es el seguimiento de la energía que se mueve a través de la molécula, de una vibración localizada a otra. El desarrollo de estas técnicas de simulación cuántica tiene una clara relevancia industrial ".
El chip fotónico utilizado en los experimentos fue fabricado por la empresa japonesa de telecomunicaciones NTT.
El Dr. Laing explicó las principales direcciones para el futuro de la investigación:"La ampliación de los simuladores a un tamaño en el que puedan proporcionar una ventaja sobre los métodos informáticos convencionales probablemente requerirá técnicas de corrección o mitigación de errores. Y queremos desarrollar aún más la sofisticación del modelo molecular que usamos como programa para el simulador. Parte de este estudio fue demostrar técnicas que van más allá de la aproximación armónica estándar de la dinámica molecular. Necesitamos impulsar estos métodos para aumentar la precisión del mundo real de nuestros modelos.
"Este enfoque de la simulación cuántica utiliza analogías entre la fotónica y las vibraciones moleculares como punto de partida. Esto nos da una ventaja para poder implementar simulaciones interesantes. Sobre la base de esto, Esperamos poder realizar herramientas de modelado y simulación cuántica que proporcionen una ventaja práctica en los próximos años ".
