Ruskí fyzici z Skolkovo Institute of Science and Technology vyvinuli novú metódu, ktorá umožňuje kombináciou kvantových a klasických výpočtov vypočítať dynamiku veľkých kvantových systémov. Metóda bola úspešne aplikovaná na problémy nukleárnej magnetickej rezonancie.
Ako viete, akýkoľvek materiál okolo nás pozostáva z atómov a atómov - záporne nabitých elektrónov a pozitívne nabitých jadier. Mnohé atómové jadrá sú zase malé magnety, ktoré môžu byť vzrušené vysokofrekvenčným magnetickým poľom, javom známym ako jadrová magnetická rezonancia. Bolo objavené v prvej polovici dvadsiateho storočia a odvtedy bolo za jeho objavenie a uplatnenie udelených päť Nobelových cien. Jeho najslávnejšou aplikáciou je zobrazovanie magnetickou rezonanciou.
Napriek viac ako polstoročiu histórie stále existujú nevyriešené problémy v teórii nukleárnej magnetickej rezonancie. Jedným z nich je kvantitatívna predpoveď reakcie jadrových magnetických momentov v pevných látkach na rušenie vysokofrekvenčným impulzom. Tento problém je zvláštnym prípadom všeobecnejšieho problému opisujúceho dynamiku systémov pozostávajúcich z veľkého počtu kvantových častíc. Priama počítačová simulácia takýchto systémov vyžaduje obrovské výpočtové zdroje, ktoré nikto nemá.
Približným prístupom k opisu mnohých časticových systémov je použitie kvantovej fyziky iba na modelovanie centrálnej časti systému, zatiaľ čo zvyšok systému je modelovaný klasicky, to znamená bez kvantových superpozícií. V tomto prístupe je však kombinovanie kvantovej dynamiky s klasickou netriviálnou úlohou z dôvodu rovnakých kvantových superpozícií: zatiaľ čo klasický systém je naraz len v jednom štáte, kvantový systém môže byť súčasne v niekoľkých štátoch: nie je jasné, ktorý z stavy v superpozícii v dôsledku pôsobenia kvantovej časti systému na klasický.
Vedci zo spoločnosti Skoltech, absolvent Grigory Starkov a profesor Boris Fine, uspeli v návrhu hybridnej výpočtovej metódy, ktorá kombinuje kvantové a klasické modelovanie. Cieľom je kompenzovať účinok spriemerovacieho účinku kvantových superpozícií na klasické prostredie bez porušenia najdôležitejších dynamických korelácií. Metóda bola dôkladne testovaná pre rôzne systémy, a to porovnaním s priamymi numerickými výpočtami, ako aj priamo s experimentálnymi výsledkami. Očakáva sa, že táto metóda významne rozšíri schopnosť vedcov simulovať magnetickú dynamiku jadier v tuhých látkach, čo zase pomôže študovať zložité materiály pomocou metód nukleárnej magnetickej rezonancie.
Alexander Ponomarev