Ruski fiziki z znanstvenega in tehnološkega inštituta Skolkovo so razvili novo metodo, ki omogoča, da s kombinacijo kvantnih in klasičnih izračunov izračunajo dinamiko velikih kvantnih sistemov. Metoda se uspešno uporablja pri težavah z jedrsko magnetno resonanco.
Kot veste, vsak materialni objekt okoli nas sestavljajo atomi in atomi - negativno nabitih elektronov in pozitivno nabitih jeder. Številna atomska jedra so tako drobni magneti, ki jih lahko vzbudi radiofrekvenčno magnetno polje, pojav, znan kot jedrska magnetna resonanca. Odkrili so ga v prvi polovici dvajsetega stoletja in od takrat je za njegovo odkritje in uporabo prejelo pet Nobelovih nagrad. Njegova najbolj znana uporaba je slikanje z magnetno resonanco.
Kljub več kot pol stoletja zgodovine še vedno obstajajo nerešeni problemi v teoriji jedrske magnetne resonance. Ena izmed njih je kvantitativna napoved odziva jedrskih magnetnih trenutkov v trdnih snoveh na motnjo z radiofrekvenčnim impulzom. Ta problem je poseben primer splošnejšega problema opisovanja dinamike sistemov, sestavljenih iz velikega števila kvantnih delcev. Neposredna računalniška simulacija takšnih sistemov zahteva ogromne računske vire, ki jih nihče ne razpolaga.
Približen pristop pri opisovanju sistemov z več delci je uporaba kvantne fizike le za modeliranje osrednjega dela sistema, preostali del sistema pa klasično, torej brez kvantnih superpozicij. Vendar je v tem pristopu združevanje kvantne dinamike s klasičnim netrivialna naloga zaradi istih kvantnih superpozicij: medtem ko je klasični sistem naenkrat le v enem stanju, je kvantni sistem lahko v več stanjih hkrati: ni jasno, kateri navaja superpozicijo zaradi delovanja kvantnega dela sistema na klasičnega.
Raziskovalcem podjetja Skoltech, podiplomskemu študentu Grigoriju Starkovu in profesorju Borisu Finu sta uspela predlagati hibridno računsko metodo, ki združuje kvantno in klasično modeliranje. Ideja je nadoknaditi učinek povprečnega učinka kvantnih superpozicij na klasično okolje brez kršenja najpomembnejših dinamičnih korelacij. Metoda je bila temeljito preizkušena za različne sisteme, tako v primerjavi z neposrednimi numeričnimi izračuni kot tudi z eksperimentalnimi rezultati. Pričakuje se, da bo metoda bistveno razširila sposobnost znanstvenikov za simulacijo magnetne dinamike jeder v trdnih snoveh, kar bo posledično pomagalo pri preučevanju zapletenih materialov z uporabo metod jedrske magnetne resonance.
Aleksander Ponomarev