近期，一個國際科學團隊展示了光學芯片如何能夠在量子級別上模擬原子在分子中的運動。利用芯片的數據，科學家可以逐幀地重建原子運動，從而創建分子內量子級別振動的虛擬動態過程。研究人員利用了分子內振動和波導光子之間的自然映射，在諧波近似中模擬出了幾個四原子分子振動激發隨時間的演化。隨后他們在包括蛋白質中肽鍵——N-甲基乙酰胺——在內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。

在實驗室中，Anthony Laing使用大功率鈦產生光的單光子：由博士生Nicola Maraviglia（左）操作藍寶石激光器泵浦一系列非線性晶體，旁邊是物理學家和項目負責人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。

布里斯托大學物理學家、項目負責人Anthony Laing說：“我們可以對光子芯片進行編程以模擬分子振動，將其組分映射到特定分子（比如氨）的結構，然后模擬特定振動模式在一定時間間隔內的演變過程，通過采取多個時間間隔，我們基本上建立了分子動力學的一個動態過程。”

研究人員憑借利用了反饋控制算法的多光子統計法來迭代識別出可增加氨（NH3）特定解離途徑的量子態。布里斯托爾大學的研究員Chris Sparrow說：“該芯片可以在幾秒鐘內重新編程以模擬不同的分子，在這些實驗中，我們為氨、甲醛（其中一種類型）以及其他更奇特的分子做了動力學模擬。我們模擬了一個與環境達到熱平衡的水分子，以及蛋白質片段中的能量轉運，對于這種類型的模擬，因為時間是一個可控的參數，所以我們可以立即跳到動態過程中最有趣的點，或以慢動作播放模擬結果，甚至我們可以倒帶模擬過程來更好地理解特定振動模式的起源。”諾基亞貝爾實驗室研究員Enrique Martín-Lopéz說：“我們還會展示機器是如何學習能夠識別出可以最佳方式分解氨分子的振動類型的算法，光子模擬器的一個重要作用是它能夠跟蹤一個局部振動通過分子到另一個振動這整個過程的能量。”

圖2 一位藝術家對光子量子模擬的印象。由金材質的電子線路控制的波導組成光子芯片，這里光子芯片可以被視為電影放映機，放映機會發出量子級別的光，而電影則是氨分子振動的逐幀演化，在這部影片中，氨分子的初始振動狀態會致使它在電影結尾失去一個氫原子的可能性增大，而這個女孩可以看作未來的科學家，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學院藝術家Eleonora Martorana。這些發現是來自多所大學研究人員合作的結果，其中包括布里斯托大學、麻省理工學院、美國印第安納大學-普渡大學-印第安納波利斯分校（IUPUI）、諾基亞貝爾實驗室和NTT電子公司。這項研究可以促使分子建模新方法的產生與改進，相應地它也可能在光子量子技術的早期應用中發揮作用。在實現控制分子行為之前，研究人員需要理解它們是如何以量子級別振動的。但是，對這些動態過程進行建模需要大量的計算能力，這超出了目前存在或預計存在于未來幾代內超級計算機中的計算能力。另外，光學芯片使用光而不是電，研究人員操作時可以把它看作量子計算電路。來自美國印第安納大學-普渡大學-印第安納波利斯分校（IUPUI）的物理學家Yogesh Joglekar說：“利用這個平臺，我們不僅可以模擬出獨立分子的振動，還可以模擬出環境對這些量子級振動所產生的影響。” 該實驗所使用的光子芯片是由NTT制造提供的。研究員Martín-Lopéz透露，本項研究中研究人員使用了量子模擬技術，它在未來的進一步發展會與工業具有明顯的相關性，它可能會為更有療效的藥物開發鋪平道路，也可能會為工業化學家提供新的分子建模參考方法。該項目負責人Laing說：“要使得模擬器比傳統計算方法具有更大的優勢，我們就需要按比例拓展它的規模，這可能要用到糾錯或誤差抑制技術，并且，我們需要進一步增加被用作模擬器程序的分子模型的復雜性，本項目的部分研究內容便是展示超越了分子動力學標準諧波近似的技術，我們需要優化這些方法以提高我們的模型在現實世界中的準確性。”Laing最后補充說：“這種量子模擬方法的出發點便是利用光子和分子振動之間的可類比性，這使得我們在實現這種有趣的模擬過程領先一步，在此基礎上，希望我們能夠實現量子模擬和完成建模工具，在未來的幾年中提供實際的優勢。”