Impressão de um artista das simulações quânticas fotônicas. O chip fotônico, composto de guias de ondas controlados por fiação eletrônica dourada, é visto como um projetor de filmes. A luz do projetor é quântica e o filme é a evolução quadro a quadro de uma molécula de amônia vibrando. Neste filme, o estado vibracional inicial da molécula de amônia leva a uma probabilidade muito alta de que ela perderá um de seus átomos de hidrogênio no final do filme. A menina é uma cientista do futuro que usará o simulador como ferramenta de modelagem molecular. A pilha de carretéis no chão ao lado dela significa a capacidade do chip fotônico de ser reprogramado para simular qualquer molécula. A pintura é da autoria:Eleonora Martorana, graduado pela Academia de Belas Artes de Roma.
Os cientistas mostraram como um chip óptico pode simular o movimento dos átomos dentro das moléculas no nível quântico, o que poderia levar a melhores maneiras de criar produtos químicos para uso como produtos farmacêuticos.
Um chip óptico usa luz para processar informações, em vez de eletricidade, e pode operar como um circuito de computação quântica ao usar partículas únicas de luz, conhecidos como fótons. Os dados do chip permitem uma reconstrução quadro a quadro dos movimentos atômicos para criar um filme virtual das vibrações quânticas de uma molécula, que é o cerne da pesquisa publicada hoje em Natureza .
Essas descobertas são o resultado de uma colaboração entre pesquisadores da Universidade de Bristol, MIT, IUPUI, Nokia Bell Labs, e NTT. Além de preparar o caminho para desenvolvimentos farmacêuticos mais eficientes, a pesquisa pode levar a novos métodos de modelagem molecular para químicos industriais.
Quando os lasers foram inventados na década de 1960, os químicos experimentais tiveram a ideia de usá-los para quebrar moléculas. Contudo, as vibrações dentro das moléculas redistribuem rapidamente a energia do laser antes que a ligação molecular pretendida seja quebrada. Controlar o comportamento das moléculas requer uma compreensão de como elas vibram no nível quântico. Mas modelar essa dinâmica requer grande poder computacional, além do que podemos esperar das próximas gerações de supercomputadores.
Os Laboratórios de Engenharia e Tecnologia Quantum de Bristol foram os pioneiros no uso de chips ópticos, controlando fótons únicos de luz, como circuitos básicos para computadores quânticos. Espera-se que os computadores quânticos sejam exponencialmente mais rápidos do que os supercomputadores convencionais na resolução de certos problemas. No entanto, construir um computador quântico é uma meta altamente desafiadora de longo prazo.
Conforme relatado em Natureza , a equipe demonstrou uma nova rota para a modelagem molecular que poderia se tornar uma das primeiras aplicações das tecnologias quânticas fotônicas. Os novos métodos exploram uma semelhança entre as vibrações dos átomos nas moléculas e os fótons de luz nos chips ópticos.
O físico de Bristol, Dr. Anthony Laing, quem liderou o projeto, explicou:"Podemos pensar nos átomos nas moléculas como sendo conectados por molas. Em toda a molécula, os átomos conectados vibrarão coletivamente, como uma rotina de dança complicada. Em um nível quântico, a energia da dança sobe ou desce em níveis bem definidos, como se a batida da música tivesse subido ou descido um ponto. Cada entalhe representa um quantum de vibração.
Laboratório do Dr. Laing onde os experimentos foram realizados. Fótons únicos de luz são gerados usando um poderoso laser Ti-Sapphire, para bombear uma série de cristais não lineares, operado por Ph.D. aluno e co-autor Nicola Maraviglia (à esquerda). Os fótons individuais são coletados em fibras ópticas e injetados no chip fotônico, próximo a Laing (à direita). A inserção no canto superior esquerdo é um close do chip fotônico obtido pelo cientista e co-autor da NTT, Nobuyuki Matsuda. Crédito:University of Bristol
"A luz também vem em pacotes quantizados chamados fótons. Matematicamente, um quantum de luz é como um quantum de vibração molecular. Usando chips integrados, podemos controlar o comportamento dos fótons com muita precisão. Podemos programar um chip fotônico para imitar as vibrações de uma molécula.
"Nós programamos o chip, mapear seus componentes para a estrutura de uma molécula particular, diga amônia, em seguida, simule como um padrão vibracional específico evolui ao longo de algum intervalo de tempo. Ao tomar muitos intervalos de tempo, essencialmente construímos um filme da dinâmica molecular. "
Primeiro autor, Dr. Chris Sparrow, quem foi aluno do projeto, falou da versatilidade do simulador:“O chip pode ser reprogramado em poucos segundos para simular moléculas diferentes. Nesses experimentos simulamos a dinâmica da amônia e um tipo de formaldeído, e outras moléculas mais exóticas. Simulamos uma molécula de água alcançando equilíbrio térmico com seu ambiente, e transporte de energia em um fragmento de proteína.
“Neste tipo de simulação, porque o tempo é um parâmetro controlável, podemos pular imediatamente para os pontos mais interessantes do filme. Ou jogue a simulação em câmera lenta. Podemos até retroceder a simulação para compreender as origens de um padrão vibracional específico. "
Primeiro autor conjunto, Dr. Enrique Martín-Lopéz, agora pesquisador sênior da Nokia Bell Labs, acrescentou:"Também pudemos mostrar como um algoritmo de aprendizado de máquina pode identificar o tipo de vibração que melhor quebra uma molécula de amônia. Uma característica importante do simulador fotônico que permite isso é o rastreamento da energia que se move através da molécula, de uma vibração localizada para outra. O desenvolvimento dessas técnicas de simulação quântica ainda tem uma clara relevância industrial. "
O chip fotônico usado nos experimentos foi fabricado pela empresa japonesa de telecomunicações NTT.
O Dr. Laing explicou as principais direções para o futuro da pesquisa:"Aumentar os simuladores para um tamanho em que possam fornecer uma vantagem sobre os métodos convencionais de computação provavelmente exigirá correção de erros ou técnicas de mitigação de erros. E queremos desenvolver ainda mais a sofisticação do modelo molecular que usamos como o programa para o simulador. Parte deste estudo foi demonstrar técnicas que vão além da aproximação harmônica padrão da dinâmica molecular. Precisamos empurrar esses métodos para aumentar a precisão do mundo real de nossos modelos.
"Esta abordagem de simulação quântica usa analogias entre fotônica e vibrações moleculares como ponto de partida. Isso nos dá uma vantagem para sermos capazes de implementar simulações interessantes. Com base nisso, esperamos poder realizar a simulação quântica e ferramentas de modelagem que forneçam uma vantagem prática nos próximos anos. "
