▲艺术家创作的光量子模拟态的印象画。图中由黄金电子线路控制的波导所组成光子芯片被比作“电影放映机”，“投影仪”射出的“光线”是量子的，而“电影”则是氨分子振动时的逐帧演化过程。
据《自然》杂志5月30日刊发的一篇论文称，来自英国、美国等国家的跨国科学家团队成功验证：一种光学芯片可以在量子层面上模拟原子运动状态。这将助力开发出更好的方法来制造制药过程所需的化学物质。该光学芯片运用的是光而不是电来进行信息处理——它利用光的单个粒子（即光子）来充当量子计算电路。这篇研究论文最重要的核心是，该芯片上的数据能够逐帧重建还原原子运动的过程，从而投射出一部关于分子量子振动的虚拟电影。这一发现是由英国布里斯托尔大学、美国麻省理工学院（MIT）、美国印第安纳州大学-普渡大学印第安纳波利斯联合分校（IUPUI）、诺基亚贝尔实验室（Nokia Bell Labs）和日本电报电话公司（NTT）的研究人员联手合作完成的。这一成果除了能为研发更有效的药物铺平道路以外，还或将为工业化学家们提供一系列新的分子模拟建模手段。
在20世纪60年代激光问世时，实验化学家们曾有过利用它来分解分子的想法，然而事实证明，在分子键还未被撕裂之前，分子内部的振动就会迅速地重新分配和化解掉激光的能量。因此，如果要控制分子的行为，就需要了解它们在量子层面上是如何振动的。但是，对这些动态数据进行建模需要海量的计算能力，甚至已经超出了未来几代超级计算机的能力。
布里斯托尔大学量子工程和技术实验室率先使用光学芯片来控制光的单个光子，并让其作为量子计算机的基本电路。在解决某些特定问题时，量子计算机的速度预计会比传统的超级计算机快得多。然而，建造量子计算机是一个极具挑战性的长期目标。
该研究小组展示了一种新的分子建模方法，它将会成为光子量子技术的早期应用成果。这种新方法利用了分子中原子与光学芯片中光子两者振动状态之间的相似性。
布里斯托尔大学物理学家安东尼•莱恩（Anthony Laing）博士是该研究的领导者，他解释说：“我们可以把分子中的原子看作是由弹簧连接起来的。整个分子中相互连接的原子会集体振动，就像一组复杂的舞蹈动作。在量子层面上，舞蹈的动能在严格限定的水平上起伏波动，就好像音乐的节拍每上升或下降了一拍一样。每个U型缺口都代表着一次量子振动。
众所周知，光是以被称为光子的量化包的形式存在的。从数学上讲，一个光量子就好似一个分子振动量子。利用集成芯片，我们可以非常精确地控制光子的反应行为，因此我们可以通过程序设计让一块光子芯片来模拟一个分子的振动。莱恩博士介绍道：“我们对芯片进行编程，让它的组件构成映射模仿一个特定分子的结构，比如氨分子，然后模拟特定振动模式在一段时间内不同时间点的演化过程。通过多个间隔时间点的积累，我们基本上就能建立一部关于分子动力学的‘电影’了。”
该论文的第一作者是克里斯•斯派洛（Chris Sparrow）博士补充道：“在这种类型的模拟中，因为时间是一个可控制的参数，所以我们可以立即跳转到这部‘电影’中最有趣的时间点，或用慢动作来播放模拟图像，我们甚至可以为了解某个特定振动模式的起源来回放模拟过程。”
莱恩博士总结道：“这种量子模拟的方法利用了光子和分子振动之间的相似性作为起点，而就这让我们有先行一步的优势去进行有趣的模拟实验。在此基础上，我们希望我们能够实现真正的量子模拟实验，并研制出更好的建模工具，从而为我们未来几年的研究带来具有实用性的优势。”
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编译：Jonathan 编辑：张梦
来源：
https://phys.org/news/2018-05-scientists-photonic-quantum-simulator-virtual.html
