Un'impressione artistica delle simulazioni quantistiche fotoniche. Il chip fotonico, composto da guide d'onda controllate tramite cablaggi elettronici dorati, è visto come un proiettore cinematografico. La luce del proiettore è quantistica e il film è l'evoluzione fotogramma per fotogramma di una molecola di ammoniaca che vibra. In questo film, lo stato vibrazionale iniziale della molecola di ammoniaca porta ad un'altissima probabilità che perderà uno dei suoi atomi di idrogeno alla fine del film. La ragazza è una scienziata del futuro che utilizzerà il simulatore come strumento per la modellazione molecolare. La pila di bobine sul pavimento accanto a lei indica la capacità del chip fotonico di essere riprogrammato per simulare qualsiasi molecola. Il dipinto è di Credit:Eleonora Martorana, diplomato all'Accademia di Belle Arti di Roma.
Gli scienziati hanno dimostrato come un chip ottico può simulare il movimento degli atomi all'interno delle molecole a livello quantistico, che potrebbe portare a modi migliori di creare prodotti chimici da utilizzare come prodotti farmaceutici.
Un chip ottico utilizza la luce per elaborare le informazioni, al posto dell'elettricità, e può funzionare come un circuito di calcolo quantistico quando si utilizzano singole particelle di luce, noti come fotoni. I dati del chip consentono una ricostruzione fotogramma per fotogramma dei movimenti atomici per creare un filmato virtuale delle vibrazioni quantistiche di una molecola, che è ciò che sta al centro della ricerca pubblicata oggi su Natura .
Questi risultati sono il risultato di una collaborazione tra ricercatori dell'Università di Bristol, MIT, IUPUI, Nokia Bell Labs, e NTT. Oltre a spianare la strada a sviluppi farmaceutici più efficienti, la ricerca potrebbe suggerire nuovi metodi di modellazione molecolare per i chimici industriali.
Quando furono inventati i laser negli anni '60, i chimici sperimentali ebbero l'idea di usarli per rompere le molecole. Però, le vibrazioni all'interno delle molecole ridistribuiscono rapidamente l'energia laser prima che il legame molecolare previsto venga rotto. Il controllo del comportamento delle molecole richiede la comprensione di come vibrano a livello quantistico. Ma modellare queste dinamiche richiede un'enorme potenza di calcolo, oltre quello che possiamo aspettarci dalle prossime generazioni di supercomputer.
I laboratori di ingegneria e tecnologia quantistica di Bristol hanno aperto la strada all'uso di chip ottici, controllo di singoli fotoni di luce, come circuiti di base per computer quantistici. Si prevede che i computer quantistici saranno esponenzialmente più veloci dei supercomputer convenzionali nel risolvere determinati problemi. Eppure la costruzione di un computer quantistico è un obiettivo a lungo termine altamente impegnativo.
Come riportato in Natura , il team ha dimostrato un nuovo percorso verso la modellizzazione molecolare che potrebbe diventare una prima applicazione delle tecnologie quantistiche fotoniche. I nuovi metodi sfruttano una somiglianza tra le vibrazioni degli atomi nelle molecole ei fotoni della luce nei chip ottici.
il fisico di Bristol Dr. Anthony Laing, chi ha guidato il progetto, ha spiegato:"Possiamo pensare agli atomi nelle molecole come collegati da molle. Attraverso l'intera molecola, gli atomi collegati vibreranno collettivamente, come una complicata routine di ballo. A livello quantistico, l'energia della danza sale o scende in livelli ben definiti, come se il ritmo della musica si fosse alzato o abbassato di una tacca. Ogni tacca rappresenta un quanto di vibrazione.
Il laboratorio del dottor Laing dove sono stati eseguiti gli esperimenti. Singoli fotoni di luce vengono generati utilizzando un potente laser Ti-Zaffiro, pompare una serie di cristalli non lineari, gestito da Ph.D. studente e co-autore Nicola Maraviglia (a sinistra). I singoli fotoni vengono raccolti in fibre ottiche e iniettati nel chip fotonico, accanto a Laing (a destra). Il riquadro in alto a sinistra è un primo piano del chip fotonico preso dallo scienziato e coautore di NTT, Nobuyuki Matsuda. Credito:Università di Bristol
"La luce arriva anche in pacchetti quantizzati chiamati fotoni. Matematicamente, un quanto di luce è come un quanto di vibrazione molecolare. Utilizzando chip integrati, possiamo controllare il comportamento dei fotoni in modo molto preciso. Possiamo programmare un chip fotonico per imitare le vibrazioni di una molecola.
"Programmiamo il chip, mappare i suoi componenti alla struttura di una particolare molecola, diciamo ammoniaca, quindi simulare come un particolare modello vibrazionale si evolve in un certo intervallo di tempo. Prendendo molti intervalli di tempo, essenzialmente costruiamo un film sulle dinamiche molecolari."
Primo autore Dr. Chris Sparrow, che era uno studente del progetto, ha parlato della versatilità del simulatore:"Il chip può essere riprogrammato in pochi secondi per simulare diverse molecole. In questi esperimenti abbiamo simulato la dinamica dell'ammoniaca e un tipo di formaldeide, e altre molecole più esotiche. Abbiamo simulato una molecola d'acqua che raggiunge l'equilibrio termico con il suo ambiente, e il trasporto di energia in un frammento proteico.
"In questo tipo di simulazione, perché il tempo è un parametro controllabile, possiamo subito saltare ai punti più interessanti del film. Oppure riproduci la simulazione al rallentatore. Possiamo anche riavvolgere la simulazione per comprendere le origini di un particolare schema vibrazionale".
Primo autore congiunto, Dott. Enrique Martín-Lopéz, ora ricercatore senior presso i Nokia Bell Labs, ha aggiunto:"Siamo stati anche in grado di mostrare come un algoritmo di apprendimento automatico può identificare il tipo di vibrazione che meglio rompe una molecola di ammoniaca. Una caratteristica chiave del simulatore fotonico che consente questo è il suo tracciamento dell'energia che si muove attraverso la molecola, da una vibrazione localizzata all'altra. Lo sviluppo di queste tecniche di simulazione quantistica ha una chiara rilevanza industriale".
Il chip fotonico utilizzato negli esperimenti è stato fabbricato dalla società giapponese di telecomunicazioni NTT.
Il dott. Laing ha spiegato le principali direzioni per il futuro della ricerca:"Scalare i simulatori a una dimensione in cui possono fornire un vantaggio rispetto ai metodi di calcolo convenzionali richiederà probabilmente la correzione degli errori o tecniche di mitigazione degli errori. E vogliamo sviluppare ulteriormente la sofisticatezza del modello molecolare che usiamo come programma per il simulatore. Parte di questo studio era dimostrare tecniche che vanno oltre l'approssimazione armonica standard della dinamica molecolare. Abbiamo bisogno di spingere questi metodi per aumentare l'accuratezza del mondo reale dei nostri modelli.
"Questo approccio alla simulazione quantistica utilizza le analogie tra la fotonica e le vibrazioni molecolari come punto di partenza. Questo ci dà un vantaggio nell'essere in grado di implementare simulazioni interessanti. Basandosi su questo, speriamo di poter realizzare strumenti di modellazione e simulazione quantistica che forniscano un vantaggio pratico nei prossimi anni".
