Ученые из Сколтеха разработали инновационный подход к прогнозированию поведения крупных квантовых систем. Метод основан на объединении принципов квантовых и классических вычислений.
Метод оказался эффективным при решении задач ядерного магнитного резонанса. О результатах исследования написано в журнале Physical Review B.
Все окружающие нас предметы состоят из атомов, которые, в свою очередь, включают в себя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра. При воздействии радиочастотного магнитного поля многие атомные ядра способны проявлять магнитные свойства.
Явление, известное как «ядерный магнитный резонанс» (ЯМР), было открыто в первой половине XX века. За открытие и применение ЯМР было присуждено пять Нобелевских премий, среди которых наиболее известным является магнито-резонансная томография (МРТ).
Даже спустя более чем полвека с момента создания, в теории ЯМР все еще существуют нерешенные вопросы. Среди них — возможность точного количественного предсказания реакции ядерных магнитных моментов в твердых веществах при воздействии радиочастотного импульса.
Данный вопрос представляет собой частный случай более широкой задачи, связанной с изучением эволюции систем, включающих большое число квантовых частиц. Непосредственное компьютерное моделирование подобных систем сопряжено с необходимостью использования колоссальных вычислительных мощностей, которыми в настоящее время не располагает ни одна организация на Земле.
Один из способов упрощенного моделирования сложных систем, состоящих из множества взаимодействующих элементов, заключается в применении квантово-механических принципов только к их центральной части, а остальную часть моделировать с использованием классических подходов, исключая квантовые суперпозиции.
Сочетание квантовой динамики с классическим подходом представляет собой сложную задачу, обусловленную квантовыми суперпозициями. Дело в том, что классическая система в определенный момент времени находится лишь в одном состоянии, в то время как квантовая система может существовать сразу в нескольких состояниях, подобно коту Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
В результате этого трудно определить, какое именно состояние в суперпозиции определяет взаимодействие квантовой части системы с классической.
Григорию Старкову, аспиранту Сколтеха, и профессору Борису Файну удалось разработать гибридный вычислительный метод, объединяющий квантовое моделирование и классические вычисления.
«Как поясняет Григорий Старков, суть метода заключается в компенсации воздействия усредняющего эффекта квантовых суперпозиций на классическую среду, при этом сохраняются ключевые динамические корреляции».
Метод подвергался всестороннему тестированию для разных систем, включая сравнение с непосредственными численными расчетами и экспериментальными данными.
Предполагается, что данный метод значительно увеличит возможности исследователей в области моделирования магнитной динамики ядер в твердых телах, что позволит изучать сложные материалы с использованием методов ядерного магнитного резонанса.
«Эта работа – итог многолетней работы. За последние 70 лет различные группы исследователей во всем мире пытались выполнить подобные вычисления. По словам Бориса Файна, им удалось добиться большего прогресса, чем другим. Они возлагают большие надежды на то, что их гибридный подход получит широкое распространение как в ЯМР-спектроскопии, так и в других областях».