Физики соединили квантовую физику с классической

Российские физики из Сколковского института науки и технологий разработали новый метод, позволяющий путём совмещения квантовых и классических вычислений рассчитывать динамику больших квантовых систем. Метод успешно применён к задачам ядерного магнитного резонанса. 

Как известно, любой материальный объект вокруг нас состоит из атомов, а атомы — из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ядер. Многие атомные ядра, в свою очередь, являются крошечными магнитами, которые могут возбуждаться под воздействием радиочастотного магнитного поля: это явление известно как ядерный магнитный резонанс. Оно было открыто в первой половине ХХ века и с тех пор за его открытие и применение было получено пять нобелевских премий. Наиболее известным его применением является магнитно-резонансная томография.

Несмотря на более чем полувековую историю, в теории ядерного магнитного резонанса до сих пор остаются нерешённые проблемы. Одной из них является количественное предсказание отклика ядерных магнитных моментов в твёрдых телах на возмущение радиочастотным импульсом. Данная проблема является частным случаем более общей проблемы описания динамики систем, состоящих из большого количества квантовых частиц. Прямое компьютерное моделирование таких систем требует огромных вычислительных ресурсов, которыми никто не обладает.

Приближённым подходом к описанию многочастичных систем является использование квантовой физики 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 является нетривиальной задачей 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: непонятно, каким из состояний в суперпозиции обусловлено действие квантовой части системы на классическую.

Исследователям из Сколтеха аспиранту Григорию Старкову и профессору Борису Файну удалось предложить гибридный вычислительный метод, совмещающий в себе квантовое моделирование с классическим. Идея состоит в том, чтобы компенсировать влияние усредняющего эффекта квантовых суперпозиций на классическое окружение, не нарушая наиболее важных динамических корреляций. Метод был тщательно протестирован для различных систем как путём сравнения с прямыми численными расчётами, так и непосредственно с результатами экспериментов. Ожидается, что метод значительно расширит возможности ученых по моделированию магнитной динамики ядер в твёрдых телах, что, в свою очередь, поможет изучать сложные материалы методами ядерного магнитного резонанса.