Ruski fizičari sa Instituta za znanost i tehnologiju Skolkovo razvili su novu metodu koja omogućava kombiniranjem kvantnih i klasičnih izračunavanja izračunavanje dinamike velikih kvantnih sustava. Metoda se uspješno primjenjuje na probleme nuklearne magnetske rezonancije.
Kao što znate, bilo koji materijalni objekt oko nas sastoji se od atoma i atoma - negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih jezgara. Mnoga atomska jezgra su zauzvrat sitni magneti koje može pobuditi radiofrekvencijsko magnetsko polje, fenomen poznat kao nuklearna magnetska rezonanca. Otkriven je u prvoj polovici dvadesetog stoljeća i od tada je za njegovo otkriće i primjenu primljeno pet Nobelovih nagrada. Njegova najpoznatija primjena je snimanje magnetskom rezonancom.
Unatoč više od pola stoljeća povijesti, još uvijek postoje neriješeni problemi u teoriji nuklearne magnetske rezonance. Jedno od njih je kvantitativno predviđanje reakcije nuklearnih magnetskih trenutaka u čvrstim tvarima na poremećaj radiofrekvencijskim impulsom. Ovaj je problem poseban slučaj općenitijeg problema opisivanja dinamike sustava koji se sastoji od velikog broja kvantnih čestica. Izravna računalna simulacija takvih sustava zahtijeva ogromne računske resurse koje nitko ne posjeduje.
Približni pristup opisu sustava s mnogo čestica je korištenje kvantne fizike samo za modeliranje središnjeg dijela sustava, dok se ostatak sustava modelira klasično, odnosno bez kvantnih superpozicija. Međutim, u ovom je pristupu kombiniranje kvantne dinamike s klasičnim netrivijalnim problemom zbog istih kvantnih superpozicija: dok je klasični sustav istovremeno u samo jednom stanju, kvantni sustav može biti u više stanja istovremeno: nije jasno koje od stanja u superpoziciji zbog djelovanja kvantnog dijela sustava na klasični.
Istraživači Skoltech-a, student poslijediplomskog studija Grigory Starkov i profesor Boris Fine uspjeli su predložiti hibridnu računalnu metodu koja kombinira kvantno i klasično modeliranje. Ideja je kompenzirati učinak prosječnog učinka kvantnih superpozicija na klasično okruženje bez probijanja najvažnijih dinamičkih korelacija. Metoda je temeljito testirana za različite sustave, kako kroz usporedbu s izravnim numeričkim proračunima, tako i izravno s eksperimentalnim rezultatima. Očekuje se da će ova metoda značajno proširiti sposobnost znanstvenika da simuliraju magnetnu dinamiku jezgara u čvrstim tvarima, što će zauzvrat pomoći proučavanju složenih materijala koristeći metode nuklearne magnetske rezonancije.
Aleksandar Ponomarev