Квантовую физику соединили с классической для расчета динамики больших систем

Российские физики придумали новый метод, позволяющий рассчитывать динамику больших квантовых систем. В его основе лежит идея о совмещении квантовых вычислений с классическими. Он уже успешно применяется к задачам ядерного магнитного резонанса. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

Любой материальный объект вокруг нас состоит из атомов, а атомы — из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер. Многие атомные ядра, в свою очередь, представляют собой крошечные магниты, которые могут возбуждаться под действием радиочастотного магнитного поля. Это явление известно как «ядерный магнитный резонанс» (ЯМР).

Несмотря на более чем полувековую историю, в теории ЯМР до сих пор остаются нерешенные проблемы. Одна из них заключается в количественном предсказании отклика ядерных магнитных моментов в твердых телах на возмущение радиочастотным импульсом. Это частный случай более общей проблемы описания динамики систем, состоящих из большого количества квантовых частиц. Прямое компьютерное моделирование таких систем требует огромных вычислительных ресурсов, которых нет ни у кого на Земле.

Для того чтобы приблизительно описать многочастичные системы, можно использовать квантовую физику только для моделирования центральной части системы, в то время как оставшаяся часть системы моделируется классически, то есть без квантовых суперпозиций. Однако в таком подходе совмещение квантовой динамики с классической представляет собой нетривиальную задачу из-за тех же квантовых суперпозиций. В то время как классическая система в каждый момент времени пребывает только в одном состоянии, квантовая система может быть в нескольких состояниях одновременно. Поэтому непонятно, какое из состояний в суперпозиции влияет на действие квантовой части системы на классическую.

Исследователи из Сколковского института науки и технологий смогли преодолеть эти трудности и предложить гибридный вычислительный метод, который совмещает в себе квантовое моделирование с классическим. «Идея метода состоит в том, чтобы компенсировать влияние усредняющего эффекта квантовых суперпозиций на классическое окружение, не нарушая наиболее важных динамических корреляций», — поясняет один из авторов работы, Григорий Старков. Предложенный метод тщательно протестировали для различных систем как путем сравнения с прямыми численными расчетами, так и непосредственно с результатами экспериментов. Физики считают, что метод существенно расширит возможности ученых по моделированию магнитной динамики ядер в твердых телах, что, в свою очередь, поможет изучать сложные материалы методами ЯМР.

Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.