Руски физици от Института за наука и технологии „Сколково“са разработили нов метод, който позволява чрез комбиниране на квантови и класически изчисления да се изчисли динамиката на големите квантови системи. Методът успешно се прилага при проблеми с ядрено-магнитен резонанс.
Както знаете, всеки материален обект около нас се състои от атоми, а атомите - от отрицателно заредени електрони и положително заредени ядра. Много атомни ядра, от своя страна, са малки магнити, които могат да бъдат възбудени от радиочестотно магнитно поле, явление, известно като ядрено-магнитен резонанс. Той е открит през първата половина на ХХ век и оттогава за неговото откриване и приложение са получени пет Нобелови награди. Най-известното му приложение е магнитен резонанс.
Въпреки повече от половин век история, все още има нерешени проблеми в теорията на ядрено-магнитен резонанс. Едно от тях е количественото прогнозиране на реакцията на ядрено-магнитните моменти в твърди вещества на смущение чрез радиочестотен импулс. Този проблем е специален случай на по-общ проблем за описание на динамиката на системите, състоящи се от голям брой квантови частици. Директната компютърна симулация на такива системи изисква огромни изчислителни ресурси, които никой не притежава.
Приблизителен подход за описване на системи с много частици е използването на квантова физика само за моделиране на централната част на системата, докато останалата част от системата се моделира класически, тоест без квантови суперпозиции. При този подход обаче комбинирането на квантовата динамика с класическата е нетривиална задача поради едни и същи квантови суперпозиции: докато класическата система е в само едно състояние наведнъж, квантовата система може да бъде в няколко състояния едновременно: не е ясно кое от състояния в суперпозиция поради действието на квантовата част на системата върху класическата.
Изследователи на Skoltech, аспирант Григорий Старков и професор Борис Фине, успяха да предложат хибриден изчислителен метод, който съчетава квантово и класическо моделиране. Идеята е да се компенсира ефектът от усредняващия ефект на квантовите суперпозиции върху класическата среда, без да се нарушават най-важните динамични корелации. Методът е щателно тестван за различни системи, както чрез сравнение с директни числени изчисления, така и директно с експериментални резултати. Очаква се методът значително да разшири способността на учените да симулират магнитната динамика на ядра в твърди частици, което от своя страна ще помогне за изучаване на сложни материали, използвайки ядрено-магнитен резонанс.
Александър Пономарев