Russiske fysikere fra Skolkovo Institut for Videnskab og Teknologi har udviklet en ny metode, der gør det muligt ved at kombinere kvante- og klassiske beregninger at beregne dynamikken i store kvantesystemer. Metoden er blevet anvendt med succes på problemer med nukleær magnetisk resonans.
Som du ved består ethvert materielt objekt omkring os af atomer og atomer - af negativt ladede elektroner og positivt ladede kerner. Mange atomkerner er på sin side små magneter, der kan blive begejstret ved et radiofrekvensmagnetisk felt, et fænomen kendt som nukleær magnetisk resonans. Det blev opdaget i første halvdel af det tyvende århundrede, og siden da er der modtaget fem nobelpriser for dens opdagelse og anvendelse. Dens mest berømte anvendelse er magnetisk resonansbillede.
På trods af mere end et halvt århundredes historie er der stadig uløste problemer i teorien om nukleær magnetisk resonans. En af dem er den kvantitative forudsigelse af reaktionen fra nukleære magnetiske momenter i faste stoffer til en forstyrrelse af en radiofrekvensimpuls. Dette problem er et specielt tilfælde af et mere generelt problem med at beskrive dynamikken i systemer, der består af et stort antal kvantepartikler. Direkte computersimulering af sådanne systemer kræver enorme beregningsressourcer, som ingen besidder.
En omtrentlig tilgang til at beskrive systemer med mange partikler er kun at bruge kvantefysik til at modellere den centrale del af systemet, mens resten af systemet er klassisk modelleret, det vil sige uden kvanteoverlappelser. I denne tilgang er det imidlertid en ikke-triviel opgave at kombinere kvantedynamik med den klassiske på grund af de samme kvanteoverpositioner: mens det klassiske system kun er i en tilstand ad gangen, kan et kvantesystem være i flere tilstande samtidig: det er ikke klart, hvilket af stater i superposition på grund af handlingen af kvantedelen af systemet på den klassiske.
Skoltech-forskere, kandidatstuderende Grigory Starkov og professor Boris Fine har lykkedes at foreslå en hybrid beregningsmetode, der kombinerer kvante- og klassisk modellering. Tanken er at kompensere for virkningen af den gennemsnitlige effekt af kvanteoverpositioner på det klassiske miljø uden at bryde de vigtigste dynamiske korrelationer. Metoden er blevet grundigt testet for forskellige systemer, både ved sammenligning med direkte numeriske beregninger og direkte med eksperimentelle resultater. Det forventes, at metoden væsentligt vil udvide forskernes evne til at simulere den magnetiske dynamik af kerner i faste stoffer, hvilket igen vil hjælpe med at studere komplekse materialer ved hjælp af nukleare magnetiske resonansmetoder.
Alexander Ponomarev