圖說：藝術家創作的光量子模擬態的印象畫。圖中由黃金電子線路控制的波導所組成光子芯片被比作“電影放映機”，“投影儀”射出的“光線”是量子的，而“電影”則是氨分子振動時的逐幀演化過程。
據《自然》雜誌5月30日刊發的一篇論文稱，來自英國、美國等國家的跨國科學家團隊成功驗證：一種光學芯片可以在量子層面上模擬原子運動狀態。這將助力開發出更好的方法來製造製藥過程所需的化學物質。該光學芯片運用的是光而不是電來進行信息處理——它利用光的單個粒子（即光子）來充當量子計算電路。這篇研究論文最重要的核心是，該芯片上的數據能夠逐幀重建還原原子運動的過程，從而投射出一部關於分子量子振動的虛擬電影。這一發現是由英國布里斯托爾大學、美國麻省理工學院（MIT）、美國印第安納州大學-普渡大學印第安納波利斯聯合分校（IUPUI）、諾基亞貝爾實驗室（Nokia Bell Labs）和日本電報電話公司（NTT）的研究人員聯手合作完成的。這一成果除了能為研發更有效的藥物鋪平道路以外，還或將為工業化學家們提供一系列新的分子模擬建模手段。
在20世紀60年代激光問世時，實驗化學家們曾有過利用它來分解分子的想法，然而事實證明，在分子鍵還未被撕裂之前，分子內部的振動就會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為，就需要了解它們在量子層面上是如何振動的。但是，對這些動態數據進行建模需要海量的計算能力，甚至已經超出了未來幾代超級計算機的能力。
布里斯托爾大學量子工程和技術實驗室率先使用光學芯片來控制光的單個光子，並讓其作為量子計算機的基本電路。在解決某些特定問題時，量子計算機的速度預計會比傳統的超級計算機快得多。然而，建造量子計算機是一個極具挑戰性的長期目標。
該研究小組展示了一種新的分子建模方法，它將會成為光子量子技術的早期應用成果。這種新方法利用了分子中原子與光學芯片中光子兩者振動狀態之間的相似性。
布里斯托爾大學物理學家安東尼·萊恩（Anthony Laing）博士是該研究的領導者，他解釋說：“我們可以把分子中的原子看作是由彈簧連接起來的。整個分子中相互連接的原子會集體振動，就像一組複雜的舞蹈動作。在量子層面上，舞蹈的動能在嚴格限定的水平上起伏波動，就好像音樂的節拍每上升或下降了一拍一樣。每個U型缺口都代表著一次量子振動。
眾所周知，光是以被稱為光子的量化包的形式存在的。從數學上講，一個光量子就好似一個分子振動量子。利用集成芯片，我們可以非常精確地控制光子的反應行為，因此我們可以通過程序設計讓一塊光子芯片來模擬一個分子的振動。萊恩博士介紹道：“我們對芯片進行編程，讓它的組件構成映射模仿一個特定分子的結構，比如氨分子，然後模擬特定振動模式在一段時間內不同時間點的演化過程。通過多個間隔時間點的積累，我們基本上就能建立一部關於分子動力學的‘電影’了。”
該論文的第一作者是克里斯·斯派洛（Chris Sparrow）博士補充道：“在這種類型的模擬中，因為時間是一個可控制的參數，所以我們可以立即跳轉到這部‘電影’中最有趣的時間點，或用慢動作來播放模擬圖像，我們甚至可以為了解某個特定振動模式的起源來回放模擬過程。”
萊恩博士總結道：“這種量子模擬的方法利用了光子和分子振動之間的相似性作為起點，而就這讓我們有先行一步的優勢去進行有趣的模擬實驗。在此基礎上，我們希望我們能夠實現真正的量子模擬實驗，並研製出更好的建模工具，從而為我們未來幾年的研究帶來具有實用性的優勢。”
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