近期，一個(gè)國際科學(xué)團(tuán)隊(duì)展示了光學(xué)芯片如何能夠在量子級(jí)別上模擬原子在分子中的運(yùn)動(dòng)。利用芯片的數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以逐幀地重建原子運(yùn)動(dòng)，從而創(chuàng)建分子內(nèi)量子級(jí)別振動(dòng)的虛擬動(dòng)態(tài)過程。研究人員利用了分子內(nèi)振動(dòng)和波導(dǎo)光子之間的自然映射，在諧波近似中模擬出了幾個(gè)四原子分子振動(dòng)激發(fā)隨時(shí)間的演化。隨后他們?cè)诎ǖ鞍踪|(zhì)中肽鍵——N-甲基乙酰胺——在內(nèi)的最簡單模型中模擬出了相干、相移能量傳輸以及水分子的熱弛豫和非簡諧效應(yīng)。

在實(shí)驗(yàn)室中，Anthony Laing使用大功率鈦產(chǎn)生光的單光子：由博士生Nicola Maraviglia（左）操作藍(lán)寶石激光器泵浦一系列非線性晶體，旁邊是物理學(xué)家和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Laing (右)，他使用光纖收集單光子，再注入到光子芯片中。插圖左上方是由NTT電子公司的科學(xué)家Nobuyuki Matsuda拍攝的光子芯片特寫。在此致謝提供圖片的布里斯托大學(xué)。

布里斯托大學(xué)物理學(xué)家、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Anthony Laing說：“我們可以對(duì)光子芯片進(jìn)行編程以模擬分子振動(dòng)，將其組分映射到特定分子（比如氨）的結(jié)構(gòu)，然后模擬特定振動(dòng)模式在一定時(shí)間間隔內(nèi)的演變過程，通過采取多個(gè)時(shí)間間隔，我們基本上建立了分子動(dòng)力學(xué)的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程?！?/p>

研究人員憑借利用了反饋控制算法的多光子統(tǒng)計(jì)法來迭代識(shí)別出可增加氨（NH3）特定解離途徑的量子態(tài)。布里斯托爾大學(xué)的研究員Chris Sparrow說：“該芯片可以在幾秒鐘內(nèi)重新編程以模擬不同的分子，在這些實(shí)驗(yàn)中，我們?yōu)榘?、甲醛（其中一種類型）以及其他更奇特的分子做了動(dòng)力學(xué)模擬。我們模擬了一個(gè)與環(huán)境達(dá)到熱平衡的水分子，以及蛋白質(zhì)片段中的能量轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)于這種類型的模擬，因?yàn)闀r(shí)間是一個(gè)可控的參數(shù)，所以我們可以立即跳到動(dòng)態(tài)過程中最有趣的點(diǎn)，或以慢動(dòng)作播放模擬結(jié)果，甚至我們可以倒帶模擬過程來更好地理解特定振動(dòng)模式的起源。”諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室研究員Enrique Martín-Lopéz說：“我們還會(huì)展示機(jī)器是如何學(xué)習(xí)能夠識(shí)別出可以最佳方式分解氨分子的振動(dòng)類型的算法，光子模擬器的一個(gè)重要作用是它能夠跟蹤一個(gè)局部振動(dòng)通過分子到另一個(gè)振動(dòng)這整個(gè)過程的能量。”

圖2 一位藝術(shù)家對(duì)光子量子模擬的印象。由金材質(zhì)的電子線路控制的波導(dǎo)組成光子芯片，這里光子芯片可以被視為電影放映機(jī)，放映機(jī)會(huì)發(fā)出量子級(jí)別的光，而電影則是氨分子振動(dòng)的逐幀演化，在這部影片中，氨分子的初始振動(dòng)狀態(tài)會(huì)致使它在電影結(jié)尾失去一個(gè)氫原子的可能性增大，而這個(gè)女孩可以看作未來的科學(xué)家，她將使用模擬器作為分子建模的工具，在她旁邊地板上的一堆薄膜卷軸表明，光子芯片可以重新編程以模擬任何分子。在此致謝提供圖片的羅馬美術(shù)學(xué)院藝術(shù)家Eleonora Martorana。這些發(fā)現(xiàn)是來自多所大學(xué)研究人員合作的結(jié)果，其中包括布里斯托大學(xué)、麻省理工學(xué)院、美國印第安納大學(xué)-普渡大學(xué)-印第安納波利斯分校（IUPUI）、諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室和NTT電子公司。這項(xiàng)研究可以促使分子建模新方法的產(chǎn)生與改進(jìn)，相應(yīng)地它也可能在光子量子技術(shù)的早期應(yīng)用中發(fā)揮作用。在實(shí)現(xiàn)控制分子行為之前，研究人員需要理解它們是如何以量子級(jí)別振動(dòng)的。但是，對(duì)這些動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行建模需要大量的計(jì)算能力，這超出了目前存在或預(yù)計(jì)存在于未來幾代內(nèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)中的計(jì)算能力。另外，光學(xué)芯片使用光而不是電，研究人員操作時(shí)可以把它看作量子計(jì)算電路。來自美國印第安納大學(xué)-普渡大學(xué)-印第安納波利斯分校（IUPUI）的物理學(xué)家Yogesh Joglekar說：“利用這個(gè)平臺(tái)，我們不僅可以模擬出獨(dú)立分子的振動(dòng)，還可以模擬出環(huán)境對(duì)這些量子級(jí)振動(dòng)所產(chǎn)生的影響?！?該實(shí)驗(yàn)所使用的光子芯片是由NTT制造提供的。研究員Martín-Lopéz透露，本項(xiàng)研究中研究人員使用了量子模擬技術(shù)，它在未來的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)與工業(yè)具有明顯的相關(guān)性，它可能會(huì)為更有療效的藥物開發(fā)鋪平道路，也可能會(huì)為工業(yè)化學(xué)家提供新的分子建模參考方法。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Laing說：“要使得模擬器比傳統(tǒng)計(jì)算方法具有更大的優(yōu)勢，我們就需要按比例拓展它的規(guī)模，這可能要用到糾錯(cuò)或誤差抑制技術(shù)，并且，我們需要進(jìn)一步增加被用作模擬器程序的分子模型的復(fù)雜性，本項(xiàng)目的部分研究內(nèi)容便是展示超越了分子動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)諧波近似的技術(shù)，我們需要優(yōu)化這些方法以提高我們的模型在現(xiàn)實(shí)世界中的準(zhǔn)確性。”Laing最后補(bǔ)充說：“這種量子模擬方法的出發(fā)點(diǎn)便是利用光子和分子振動(dòng)之間的可類比性，這使得我們?cè)趯?shí)現(xiàn)這種有趣的模擬過程領(lǐng)先一步，在此基礎(chǔ)上，希望我們能夠?qū)崿F(xiàn)量子模擬和完成建模工具，在未來的幾年中提供實(shí)際的優(yōu)勢。”