Rusští fyzici z Skolkovo Institute of Science and Technology vyvinuli novou metodu, která umožňuje kombinací kvantových a klasických výpočtů vypočítat dynamiku velkých kvantových systémů. Metoda byla úspěšně aplikována na problémy nukleární magnetické rezonance.
Jak víte, jakýkoli hmotný předmět kolem nás sestává z atomů a atomů - negativně nabitých elektronů a pozitivně nabitých jader. Mnoho atomových jader je zase malé magnety, které mohou být vzrušeny vysokofrekvenčním magnetickým polem, jevem známým jako jaderná magnetická rezonance. Byl objeven v první polovině dvacátého století a od té doby byl za jeho objev a aplikaci obdržen pět Nobelových cen. Jeho nejslavnější aplikací je zobrazování magnetickou rezonancí.
Přes více než půl století historie, stále existují nevyřešené problémy v teorii nukleární magnetické rezonance. Jedním z nich je kvantitativní predikce reakce jaderných magnetických momentů v pevných látkách na rušení vysokofrekvenčním impulsem. Tento problém je zvláštním případem obecnějšího problému popisujícího dynamiku systémů sestávajících z velkého počtu kvantových částic. Přímá počítačová simulace takových systémů vyžaduje obrovské výpočetní prostředky, které nikdo nemá.
Přibližný přístup k popisu mnoha-částicových systémů spočívá v použití kvantové fyziky pouze k modelování centrální části systému, zatímco zbytek systému je modelován klasicky, tj. Bez kvantových superpozic. V tomto přístupu je však kombinování kvantové dynamiky s klasickou netriviální úkol kvůli stejným kvantovým superpozicím: zatímco klasický systém je v jediném stavu současně, kvantový systém může být v několika státech současně: není jasné, který z stavy v superpozici kvůli působení kvantové části systému na klasický.
Vědci ze společnosti Skoltech, postgraduální student Grigory Starkov a profesor Boris Fine, dokázali navrhnout hybridní výpočetní metodu, která kombinuje kvantové a klasické modelování. Cílem je kompenzovat účinek průměrného účinku kvantových superpozic na klasické prostředí bez porušení nejdůležitějších dynamických korelací. Metoda byla důkladně testována pro různé systémy, a to jak porovnáním s přímými numerickými výpočty, tak přímo s experimentálními výsledky. Očekává se, že tato metoda významně rozšíří schopnost vědců simulovat magnetickou dynamiku jader v pevných látkách, což zase pomůže studovat složité materiály pomocí metod nukleární magnetické rezonance.
Alexander Ponomarev