Учёные из Сколтеха разработали способ расчета динамики крупных квантовых систем. Метод основан на объединении квантовых и классических вычислений.
Данный метод был использован для решения задач, связанных с ядром магнитного резонанса. Исследования изложены в журнале. Physical Review B.
Каждый предмет, который мы можем коснуться, составлен из атомов. Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер. Множество ядер атомов — это крошечные магниты, которые способны возбуждаться под влиянием радиочастотного магнитного поля.
Это явление называют «ядерным магнитным резонансом». Открыли его в первой половине XX века. С тех пор получили пять Нобелевских премий за открытие и применение ЯМР, наиболее известное из которых — магнито-резонансная томография (МРТ).
Несмотря на более чем полувековую историю, в теории ЯМР существуют неразрешенные вопросы. Одно из таких вопросов — количественное предсказание отклика ядерных магнитных моментов в твердых телах на воздействие радиочастотного импульса.
Этот вопрос относится к обшей задаче описания поведения сложных систем из множества квантовых частиц. Прямое моделирование таких систем на компьютерах требует колоссальных вычислительных мощностей, которых пока нет ни у кого на планете.
Для описания сложных систем можно применять привлекательный метод: использовать квантовую физику только для моделирования центральной части, а остальное описывать классическими методами без учета квантовых суперпозиций.
Сочетание квантовой динамики с классической сложное из-за суперпозиций квантовых состояний. В отличие от классических систем, которые в каждый момент времени находятся только в одном состоянии, квантовые могут существовать в нескольких состояниях одновременно, как кот Шрёдингера, который то жив, то мёртв.
Из-за этого остаётся неясным, какое состояние суперпозиции определяет воздействие квантовой части системы на классическую.
Аспирант Григорий Старков и профессор Борис Файн из Сколтеха предложили новый гибридный вычислительный метод, объединяющий квантовое моделирование и классическое.
Григорий Старков объясняет: метод призван компенсировать воздействие усредняющего эффекта квантовых суперпозиций на классический мир, не затрагивая при этом самые важные динамические связи.
Метод проверили на разных системах двумя способами: сравнивая результаты с точными вычислениями и с данными эксперимента.
Метод позволит ученым значительно глубже исследовать магнитные явления атомов в кристаллах, что откроет новые возможности для изучения материалов с помощью метода ЯМР.
Многолетние усилия привели к выполнению этой работы. За семьдесят лет много групп по всему миру стремились выполнить подобные расчеты. Успех превзошел ожидания остальных, — говорит Борис Файн. — Гибридный подход, разработанный нами, найдет широкое применение как в ЯМР, так и за его пределами.
