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科学家拟利用光子芯片作为量子模拟器建立分子动力学模型

2018-07-05

2018年5月31日,英国布里斯托尔

近期,一个国际科学团队展示了光学芯片如何能够在量子级别上模拟原子在分子中的运动。利用芯片的数据,科学家可以逐帧地重建原子运动,从而创建分子内量子级别振动的虚拟动态过程。

研究人员利用了分子内振动和波导光子之间的自然映射,在谐波近似中模拟出了几个四原子分子振动激发随时间的演化。随后他们在包括蛋白质中肽键——N-甲基乙酰胺——在内的最简单模型中模拟出了相干、相移能量传输以及水分子的热弛豫和非简谐效应。

图1 在实验室中,Anthony Laing使用大功率钛产生光的单光子:由博士生Nicola Maraviglia(左)操作蓝宝石激光器泵浦一系列非线性晶体,旁边是物理学家和项目负责人Laing (右),他使用光纤收集单光子,再注入到光子芯片中。插图左上方是由NTT电子公司的科学家Nobuyuki Matsuda拍摄的光子芯片特写。在此致谢提供图片的布里斯托大学。

布里斯托大学物理学家、项目负责人Anthony Laing说:“我们可以对光子芯片进行编程以模拟分子振动,将其组分映射到特定分子(比如氨)的结构,然后模拟特定振动模式在一定时间间隔内的演变过程,通过采取多个时间间隔,我们基本上建立了分子动力学的一个动态过程。”

研究人员凭借利用了反馈控制算法的多光子统计法来迭代识别出可增加氨(NH3)特定解离途径的量子态。布里斯托尔大学的研究员Chris Sparrow说:“该芯片可以在几秒钟内重新编程以模拟不同的分子,在这些实验中,我们为氨、甲醛(其中一种类型)以及其他更奇特的分子做了动力学模拟。我们模拟了一个与环境达到热平衡的水分子,以及蛋白质片段中的能量转运,对于这种类型的模拟,因为时间是一个可控的参数,所以我们可以立即跳到动态过程中最有趣的点,或以慢动作播放模拟结果,甚至我们可以倒带模拟过程来更好地理解特定振动模式的起源。”

诺基亚贝尔实验室研究员Enrique Martín-Lopéz说:“我们还会展示机器是如何学习能够识别出可以最佳方式分解氨分子的振动类型的算法,光子模拟器的一个重要作用是它能够跟踪一个局部振动通过分子到另一个振动这整个过程的能量。”

图2 一位艺术家对光子量子模拟的印象。由金材质的电子线路控制的波导组成光子芯片,这里光子芯片可以被视为电影放映机,放映机会发出量子级别的光,而电影则是氨分子振动的逐帧演化,在这部影片中,氨分子的初始振动状态会致使它在电影结尾失去一个氢原子的可能性增大,而这个女孩可以看作未来的科学家,她将使用模拟器作为分子建模的工具,在她旁边地板上的一堆薄膜卷轴表明,光子芯片可以重新编程以模拟任何分子。在此致谢提供图片的罗马美术学院艺术家Eleonora Martorana。

这些发现是来自多所大学研究人员合作的结果,其中包括布里斯托大学、麻省理工学院、美国印第安纳大学-普渡大学-印第安纳波利斯分校(IUPUI)、诺基亚贝尔实验室和NTT电子公司。这项研究可以促使分子建模新方法的产生与改进,相应地它也可能在光子量子技术的早期应用中发挥作用。

在实现控制分子行为之前,研究人员需要理解它们是如何以量子级别振动的。但是,对这些动态过程进行建模需要大量的计算能力,这超出了目前存在或预计存在于未来几代内超级计算机中的计算能力。另外,光学芯片使用光而不是电,研究人员操作时可以把它看作量子计算电路。

来自美国印第安纳大学-普渡大学-印第安纳波利斯分校(IUPUI)的物理学家Yogesh Joglekar说:“利用这个平台,我们不仅可以模拟出独立分子的振动,还可以模拟出环境对这些量子级振动所产生的影响。” 该实验所使用的光子芯片是由NTT制造提供的。

研究员Martín-Lopéz透露,本项研究中研究人员使用了量子模拟技术,它在未来的进一步发展会与工业具有明显的相关性,它可能会为更有疗效的药物开发铺平道路,也可能会为工业化学家提供新的分子建模参考方法。

该项目负责人Laing说:“要使得模拟器比传统计算方法具有更大的优势,我们就需要按比例拓展它的规模,这可能要用到纠错或误差抑制技术,并且,我们需要进一步增加被用作模拟器程序的分子模型的复杂性,本项目的部分研究内容便是展示超越了分子动力学标准谐波近似的技术,我们需要优化这些方法以提高我们的模型在现实世界中的准确性。”

Laing最后补充说:“这种量子模拟方法的出发点便是利用光子和分子振动之间的可类比性,这使得我们在实现这种有趣的模拟过程领先一步,在此基础上,希望我们能够实现量子模拟和完成建模工具,在未来的几年中提供实际的优势。”

(来源:光电汇



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