Los científicos han demostrado cómo un chip óptico puede simular el movimiento de los átomos dentro de las moléculas a nivel cuántico, lo que podría conducir a mejores formas de crear productos químicos para su uso como productos farmacéuticos.
Un chip óptico utiliza luz para procesar información, en lugar de electricidad, y puede funcionar como un circuito de computación cuántica cuando se usan partículas individuales de luz, conocidas como fotones. Los datos del chip permiten una reconstrucción cuadro por cuadro de los movimientos atómicos paracrear una película virtual de las vibraciones cuánticas de una molécula, que es lo que se encuentra en el corazón de la investigación publicada hoy en Naturaleza .
Estos hallazgos son el resultado de una colaboración entre investigadores de la Universidad de Bristol, MIT, IUPUI, Nokia Bell Labs y NTT. Además de allanar el camino para desarrollos farmacéuticos más eficientes, la investigación podría impulsar nuevos métodos de modelado molecularpara químicos industriales.
Cuando se inventaron los láseres en la década de 1960, los químicos experimentales tuvieron la idea de usarlos para separar moléculas. Sin embargo, las vibraciones dentro de las moléculas redistribuyen rápidamente la energía del láser antes de que se rompa el enlace molecular deseado. El control del comportamiento de las moléculas requiere una comprensiónde cómo vibran a nivel cuántico. Pero modelar estas dinámicas requiere un poder computacional masivo, más allá de lo que podemos esperar de las próximas generaciones de supercomputadoras.
Los Laboratorios de Ingeniería y Tecnología de Quantum en Bristol han sido pioneros en el uso de chips ópticos, controlando fotones de luz individuales, como circuitos básicos para computadoras cuánticas. Se espera que las computadoras cuánticas sean exponencialmente más rápidas que las supercomputadoras convencionales para resolver ciertos problemas.la computadora cuántica es un objetivo a largo plazo muy desafiante.
como se informa en Naturaleza el equipo demostró una nueva ruta hacia el modelado molecular que podría convertirse en una aplicación temprana de las tecnologías cuánticas fotónicas. Los nuevos métodos explotan una similitud entre las vibraciones de los átomos en las moléculas y los fotones de luz en los chips ópticos.
El físico de Bristol, Dr. Anthony Laing, quien dirigió el proyecto, explicó: "Podemos pensar que los átomos en las moléculas están conectados por resortes. A través de la molécula completa, los átomos conectados vibrarán colectivamente, como una rutina de baile complicada.nivel cuántico, la energía del baile sube o baja en niveles bien definidos, como si el ritmo de la música hubiera subido o bajado una muesca. Cada muesca representa un cuanto de vibración.
"La luz también viene en paquetes cuantificados llamados fotones. Matemáticamente, un cuanto de luz es como un cuanto de vibración molecular. Usando chips integrados, podemos controlar el comportamiento de los fotones con mucha precisión. Podemos programar un chip fotónico para imitar las vibracionesde una molécula.
"Programamos el chip, asignando sus componentes a la estructura de una molécula particular, digamos amoníaco, luego simulamos cómo evoluciona un patrón vibratorio particular durante un intervalo de tiempo. Al tomar muchos intervalos de tiempo, esencialmente construimos una película de la molécula moleculardinámica."
El primer autor, el Dr. Chris Sparrow, estudiante del proyecto, habló de la versatilidad del simulador: "El chip puede reprogramarse en unos segundos para simular diferentes moléculas. En estos experimentos simulamos la dinámica del amoníaco y un tipo deformaldehído y otras moléculas más exóticas. Simulamos una molécula de agua que alcanza el equilibrio térmico con su entorno y el transporte de energía en un fragmento de proteína.
"En este tipo de simulación, debido a que el tiempo es un parámetro controlable, podemos saltar inmediatamente a los puntos más interesantes de la película. O reproducir la simulación en cámara lenta. Incluso podemos rebobinar la simulación para comprender los orígenes de un particularpatrón vibratorio "
El primer autor conjunto, el Dr. Enrique Martín-Lopéz, ahora investigador principal de Nokia Bell Labs, agregó: "También pudimos mostrar cómo un algoritmo de aprendizaje automático puede identificar el tipo de vibración que mejor separa una molécula de amoníaco. ALa característica clave del simulador fotónico que permite esto es su seguimiento de la energía que se mueve a través de la molécula, de una vibración localizada a otra. El desarrollo de estas técnicas de simulación cuántica tiene una clara relevancia industrial ".
El chip fotónico utilizado en los experimentos fue fabricado por la compañía japonesa de telecomunicaciones NTT.
El Dr. Laing explicó las instrucciones principales para el futuro de la investigación: "Ampliar los simuladores a un tamaño en el que puedan proporcionar una ventaja sobre los métodos informáticos convencionales probablemente requerirá técnicas de corrección o mitigación de errores. Y queremos desarrollar aún mássofisticación del modelo molecular que utilizamos como programa para el simulador. Parte de este estudio fue demostrar técnicas que van más allá de la aproximación armónica estándar de la dinámica molecular. Necesitamos impulsar estos métodos para aumentar la precisión del mundo real de nuestros modelos.
"Este enfoque de la simulación cuántica utiliza analogías entre la fotónica y las vibraciones moleculares como punto de partida. Esto nos da una ventaja para poder implementar simulaciones interesantes. A partir de esto, esperamos que podamos realizar herramientas de modelación y simulación cuántica queproporcionar una ventaja práctica en los próximos años "
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Materiales proporcionado por Universidad de Bristol . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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