Rosyjscy fizycy z Instytutu Nauki i Technologii w Skołkowie opracowali nową metodę, która pozwala, łącząc obliczenia kwantowe i klasyczne, na obliczanie dynamiki dużych układów kwantowych. Metoda została z powodzeniem zastosowana w problemach jądrowego rezonansu magnetycznego.
Jak wiecie, każdy obiekt materialny wokół nas składa się z atomów, a atomy - z ujemnie naładowanych elektronów i dodatnio naładowanych jąder. Z kolei wiele jąder atomowych to maleńkie magnesy, które mogą być wzbudzane przez pole magnetyczne o częstotliwości radiowej, zjawisko znane jako jądrowy rezonans magnetyczny. Został odkryty w pierwszej połowie XX wieku i od tego czasu za jego odkrycie i zastosowanie otrzymano pięć nagród Nobla. Jego najbardziej znanym zastosowaniem jest obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego.
Pomimo ponad półwiecza historii w teorii jądrowego rezonansu magnetycznego wciąż istnieją nierozwiązane problemy. Jednym z nich jest ilościowe przewidywanie odpowiedzi jądrowych momentów magnetycznych w ciałach stałych na zakłócenie przez impuls o częstotliwości radiowej. Problem ten jest szczególnym przypadkiem bardziej ogólnego problemu opisującego dynamikę układów składających się z dużej liczby cząstek kwantowych. Bezpośrednia symulacja komputerowa takich systemów wymaga ogromnych zasobów obliczeniowych, których nikt nie posiada.
Przybliżone podejście do opisu układów wielocząstkowych polega na wykorzystaniu fizyki kwantowej tylko do modelowania centralnej części układu, podczas gdy reszta układu jest modelowana klasycznie, to znaczy bez superpozycji kwantowych. Jednak w tym podejściu połączenie dynamiki kwantowej z klasyczną jest zadaniem nietrywialnym ze względu na te same superpozycje kwantowe: podczas gdy system klasyczny jest w jednym stanie w danym momencie, system kwantowy może znajdować się w kilku stanach jednocześnie: nie jest jasne, który z nich stany w superpozycji ze względu na działanie części kwantowej układu na klasyczną.
Badaczom Skoltech, doktorantowi Grigorijowi Starkowowi i profesorowi Borisowi Fine, udało się zaproponować hybrydową metodę obliczeniową, która łączy modelowanie kwantowe i klasyczne. Chodzi o to, aby skompensować wpływ uśredniającego efektu superpozycji kwantowych na klasyczne środowisko bez przerywania najważniejszych korelacji dynamicznych. Metoda została gruntownie przetestowana dla różnych systemów, zarówno poprzez porównanie z bezpośrednimi obliczeniami numerycznymi, jak i bezpośrednio z wynikami eksperymentalnymi. Oczekuje się, że metoda znacząco rozszerzy możliwości naukowców w zakresie symulacji dynamiki magnetycznej jąder w ciałach stałych, co z kolei pomoże w badaniu złożonych materiałów przy użyciu metod jądrowego rezonansu magnetycznego.
Alexander Ponomarev