Fysiker från Skoltech har uppfunnit en ny metod för att beräkna dynamiken i stora kvantsystem. Understödd av en kombination av kvantmodellering och klassisk modellering, metoden har framgångsrikt tillämpats på kärnmagnetisk resonans i fasta ämnen. Resultaten av studien publicerades i Fysisk granskning B .

Fysiska föremål omkring oss består av atomer som, i tur och ordning, består av negativt laddade elektroner och positivt laddade kärnor. Många av atomkärnor är magnetiska – de kan ses som små magneter, som kan exciteras av ett oscillerande magnetfält. Detta fenomen känt som "kärnmagnetisk resonans" (NMR) upptäcktes under första hälften av 20-talet. ^th århundrade. Fem Nobelpriser har delats ut sedan dess, först för upptäckten och sedan för olika tillämpningar av NMR - magnetisk resonanstomografi (MRI) är den mest framträdande av dem.

Även om NMR upptäcktes för mer än 70 år sedan, den har fortfarande några tomma fläckar, såsom kvantitativ förutsägelse av relaxationen av kärnmagnetiska moment i fasta ämnen efter NMR-excitation. Detta är ett speciellt fall som representerar ett mer allmänt problem med att beskriva dynamiken hos ett stort antal interagerande kvantpartiklar. Direkt kvantsimulering är uteslutet redan för några hundra partiklar, för det kräver enorma beräkningsresurser som inte är tillgängliga för mänskligheten.

Det är då frestande att utforska ett ungefärligt tillvägagångssätt baserat på att simulera kärnan i ett system med många partiklar med hjälp av kvantdynamik, medan jag hanterar resten rent klassiskt – det vill säga, utan att medge kvantöverlagringar. Dock, det är just kvantöverlagringarna som gör kopplingen av kvantdynamik och klassisk dynamik till en icke-trivial uppgift:ett klassiskt system är i ett tillstånd vid varje tidpunkt, medan ett kvantsystem kan vara i flera tillstånd samtidigt, ungefär som Schrödingers katt som kan vara levande och död samtidigt. Det är alltså inte klart vilket av de överlagrade kvanttillstånden som styr kvantdelens inverkan på den klassiska.

Skoltech forskare, Ph.D. student Grigory Starkov och professor Boris Fine, övervann flera stötestenar och föreslog en hybrid beräkningsmetod som kombinerar kvantmodellering och klassisk modellering. "I allmänhet, medelvärdet över kvantsuperpositioner minskar signifikant kvantkärnans verkan på den klassiska miljön. Vi hittade ett sätt att kompensera en sådan medelvärdeseffekt, samtidigt som de viktigaste dynamiska sambanden hålls intakta, " förklarade Starkov. Den föreslagna metoden testades grundligt på olika system genom att utvärdera dess prestanda mot numeriska beräkningar och experimentella resultat. Den nya metoden förväntas erbjuda bredare möjligheter till forskare när det gäller att simulera den magnetiska dynamiken hos kärnor i fasta ämnen, som, i tur och ordning, kommer att underlätta NMR-diagnostik av komplexa material.

"Detta arbete kulminerar år av våra intensiva ansträngningar, ", sa Fine. "Många team runt om i världen har försökt göra sådana beräkningar under de senaste 70 åren. Här lyckades vi lyfta NMR-beräkningarnas prediktiva prestanda till en ny nivå. Vi hoppas verkligen att vår hybridstrategi kommer att få bred användning inom NMR-domänen och utanför."