Vue d'artiste des simulations quantiques photoniques. La puce photonique, composé de guides d'ondes contrôlés par un câblage électronique en or, est vu comme un projecteur de film. La lumière du projecteur est quantique et le film est l'évolution image par image d'une molécule d'ammoniac en vibration. Dans ce film, l'état vibrationnel initial de la molécule d'ammoniac conduit à une très forte probabilité qu'elle perde un de ses atomes d'hydrogène à la fin du film. La jeune fille est une scientifique du futur qui utilisera le simulateur comme outil de modélisation moléculaire. La pile de bobines sur le sol à côté d'elle signifie que la puce photonique peut être reprogrammée pour simuler n'importe quelle molécule. La peinture est de Crédit :Eleonora Martorana, diplômé de l'Académie des Beaux-Arts de Rome.
Les scientifiques ont montré comment une puce optique peut simuler le mouvement des atomes dans les molécules au niveau quantique, ce qui pourrait conduire à de meilleures façons de créer des produits chimiques à utiliser comme produits pharmaceutiques.
Une puce optique utilise la lumière pour traiter l'information, à la place de l'électricité, et peut fonctionner comme un circuit de calcul quantique lors de l'utilisation de particules de lumière uniques, connu sous le nom de photons. Les données de la puce permettent une reconstruction image par image des mouvements atomiques pour créer un film virtuel des vibrations quantiques d'une molécule, c'est ce qui est au cœur des recherches publiées aujourd'hui dans La nature .
Ces résultats sont le résultat d'une collaboration entre des chercheurs de l'Université de Bristol, MIT, IUPUI, Laboratoires Nokia Bell, et NTT. En plus d'ouvrir la voie à des développements pharmaceutiques plus efficaces, la recherche pourrait susciter de nouvelles méthodes de modélisation moléculaire pour les chimistes industriels.
Lorsque les lasers ont été inventés dans les années 1960, des chimistes expérimentateurs ont eu l'idée de les utiliser pour briser des molécules. Cependant, les vibrations au sein des molécules redistribuent rapidement l'énergie laser avant que la liaison moléculaire voulue ne soit rompue. Contrôler le comportement des molécules nécessite de comprendre comment elles vibrent au niveau quantique. Mais la modélisation de ces dynamiques nécessite une puissance de calcul massive, au-delà de ce que nous pouvons attendre des générations futures de supercalculateurs.
Les laboratoires d'ingénierie et de technologie quantiques de Bristol ont été les premiers à utiliser des puces optiques, contrôler les photons uniques de la lumière, comme circuits de base pour les ordinateurs quantiques. Les ordinateurs quantiques devraient être exponentiellement plus rapides que les superordinateurs conventionnels pour résoudre certains problèmes. Pourtant, la construction d'un ordinateur quantique est un objectif à long terme très ambitieux.
Comme indiqué dans La nature , l'équipe a démontré une nouvelle voie vers la modélisation moléculaire qui pourrait devenir une application précoce des technologies quantiques photoniques. Les nouvelles méthodes exploitent une similitude entre les vibrations des atomes dans les molécules et les photons de la lumière dans les puces optiques.
Le physicien de Bristol, le Dr Anthony Laing, qui a mené le projet, a expliqué:"Nous pouvons penser aux atomes dans les molécules comme étant reliés par des ressorts. Sur toute la molécule, les atomes connectés vont vibrer collectivement, comme une routine de danse compliquée. Au niveau quantique, l'énergie de la danse monte ou descend dans des niveaux bien définis, comme si le rythme de la musique montait ou descendait d'un cran. Chaque encoche représente un quantum de vibration.
Le laboratoire du Dr Laing où les expériences ont été réalisées. Des photons uniques de lumière sont générés à l'aide d'un puissant laser Ti-Sapphire, pomper une série de cristaux non linéaires, exploité par Ph.D. étudiant et co-auteur Nicola Maraviglia (à gauche). Les photons uniques sont collectés dans des fibres optiques et injectés dans la puce photonique, à côté de Laing (à droite). L'encart en haut à gauche est un gros plan de la puce photonique prise par le scientifique et co-auteur de NTT, Nobuyuki Matsuda. Crédit :Université de Bristol
« La lumière se présente également sous forme de paquets quantifiés appelés photons. Mathématiquement, un quantum de lumière est comme un quantum de vibration moléculaire. En utilisant des puces intégrées, nous pouvons contrôler très précisément le comportement des photons. Nous pouvons programmer une puce photonique pour imiter les vibrations d'une molécule.
"Nous programmons la puce, cartographier ses composants à la structure d'une molécule particulière, disons l'ammoniac, puis simulez l'évolution d'un modèle vibratoire particulier sur un intervalle de temps. En prenant de nombreux intervalles de temps, nous construisons essentiellement un film de la dynamique moléculaire."
Premier auteur, le Dr Chris Sparrow, qui était étudiant sur le projet, a parlé de la polyvalence du simulateur :« La puce peut être reprogrammée en quelques secondes pour simuler différentes molécules. Dans ces expériences, nous avons simulé la dynamique de l'ammoniac et d'un type de formaldéhyde, et d'autres molécules plus exotiques. Nous avons simulé une molécule d'eau atteignant l'équilibre thermique avec son environnement, et le transport d'énergie dans un fragment de protéine.
« Dans ce type de simulation, parce que le temps est un paramètre contrôlable, nous pouvons immédiatement passer aux points les plus intéressants du film. Ou jouez la simulation au ralenti. Nous pouvons même rembobiner la simulation pour comprendre les origines d'un modèle vibratoire particulier."
Co-premier auteur, Dr Enrique Martín-Lopez, maintenant chercheur principal chez Nokia Bell Labs, a ajouté : « Nous avons également pu montrer comment un algorithme d'apprentissage automatique peut identifier le type de vibration qui sépare le mieux une molécule d'ammoniac. Une caractéristique clé du simulateur photonique qui permet cela est son suivi de l'énergie se déplaçant à travers la molécule, d'une vibration localisée à une autre. Le développement de ces techniques de simulation quantique a une pertinence industrielle évidente. »
La puce photonique utilisée dans les expériences a été fabriquée par la société de télécommunications japonaise NTT.
Le Dr Laing a expliqué les principales orientations pour l'avenir de la recherche :« La mise à l'échelle des simulateurs à une taille où ils peuvent fournir un avantage par rapport aux méthodes de calcul conventionnelles nécessitera probablement des techniques de correction ou d'atténuation des erreurs. Et nous voulons développer davantage la sophistication du modèle moléculaire que nous utilisons comme programme pour le simulateur. Une partie de cette étude consistait à démontrer des techniques qui vont au-delà de l'approximation harmonique standard de la dynamique moléculaire. Nous devons pousser ces méthodes pour augmenter la précision de nos modèles dans le monde réel.
"Cette approche de la simulation quantique utilise des analogies entre la photonique et les vibrations moléculaires comme point de départ. Cela nous donne une longueur d'avance pour pouvoir mettre en œuvre des simulations intéressantes. Sur cette base, nous espérons pouvoir réaliser des outils de simulation et de modélisation quantiques qui offriront un avantage pratique dans les années à venir."
