Ryska fysiker från Skolkovo Institute of Science and Technology har utvecklat en ny metod som, genom att kombinera kvant- och klassisk beräkning, kan beräkna dynamiken i stora kvantsystem. Metoden har framgångsrikt tillämpats på problem med kärnmagnetisk resonans.
Som ni vet består alla materiella objekt runt oss av atomer och atomer - av negativt laddade elektroner och positivt laddade kärnor. Många atomkärnor är i sin tur små magneter som kan upphetsas av ett radiofrekvent magnetfält, ett fenomen som kallas kärnmagnetisk resonans. Det upptäcktes under första hälften av det tjugonde århundradet och sedan dess har fem nobelpriser mottagits för dess upptäckt och tillämpning. Dess mest kända applikation är magnetisk resonansavbildning.
Trots mer än ett halvt sekel av historien finns det fortfarande olösta problem i teorin om kärnmagnetisk resonans. En av dem är den kvantitativa förutsägelsen av svaret från kärnmagnetiska moment i fasta ämnen till en störning av en radiofrekvenspuls. Detta problem är ett speciellt fall av ett mer generellt problem med att beskriva dynamiken i system som består av ett stort antal kvantpartiklar. Direkt datorsimulering av sådana system kräver enorma beräkningsresurser som ingen har.
Ett ungefärligt tillvägagångssätt för att beskriva system med många partiklar är att använda kvantfysik endast för att modellera den centrala delen av systemet, medan resten av systemet modelleras klassiskt, det vill säga utan kvantens superpositioner. Men i detta tillvägagångssätt är det att kombinera kvantdynamik med den klassiska ett icke-trivialt problem på grund av samma kvantsuperpositioner: medan det klassiska systemet bara är i ett tillstånd i taget, kan ett kvantsystem vara i flera tillstånd samtidigt: det är inte klart vilket av anges i superposition på grund av inverkan av systemets kvantdel på den klassiska.
Skoltech-forskare, doktorand Grigory Starkov och professor Boris Fine har lyckats föreslå en hybrid beräkningsmetod som kombinerar kvant- och klassisk modellering. Tanken är att kompensera för effekten av kvantesuperpositioners medelvärde på den klassiska miljön utan att bryta de viktigaste dynamiska korrelationerna. Metoden har testats noggrant för olika system, både genom jämförelse med direkta numeriska beräkningar och direkt med experimentella resultat. Det förväntas att metoden avsevärt kommer att utvidga forskarnas förmåga att simulera kärnans magnetiska dynamik i fasta ämnen, vilket i sin tur kommer att hjälpa till att studera komplexa material med hjälp av kärnmagnetisk resonansmetoder.
Alexander Ponomarev