Ученые придумали, как соединить квантовую физику с классической — Naked Science
18.12.2018
Сколтех

Ученые придумали, как соединить квантовую физику с классической

Физики из Сколтеха придумали новый метод, позволяющий рассчитывать динамику больших квантовых систем. В его основу положена идея о совмещении квантовых вычислений с классическими.

©Wikipedia

Метод успешно применен 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, являются крошечными магнитами, которые могут возбуждаться под воздействием радиочастотного магнитного поля.

Это явление известно как «ядерный магнитный резонанс» (ЯМР). Оно было открыто в первой половине XX века. Пять нобелевских премий было получено с тех пор за открытие и применения ЯМР, наиболее известное из которых — магнито-резонансная томография (МРТ).

Несмотря на более чем полувековую историю, в теории ЯМР до сих пор остаются нерешенные проблемы. Одна из них — количественное предсказание отклика ядерных магнитных моментов в твердых телах на возмущение радиочастотным импульсом.

Этот вопрос — частный случай более общей проблемы описания динамики систем, состоящих из большого количества квантовых частиц. Прямое компьютерное моделирование таких систем требует огромных вычислительных ресурсов, которыми никто на Земле не обладает.

Привлекательный приближенный подход к описанию многочастичных систем — это использование квантовой физики только для моделирования центральной части системы, в то время как оставшаяся часть 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 может быть в нескольких состояниях одновременно — как кот Шредингера, который то ли жив, то ли мертв.

Как следствие, непонятно, каким из состояний в суперпозиции обусловлено действие квантовой части системы на классическую.

Исследователям из Сколтеха — аспиранту Григорию Старкову и профессору Борису Файну — удалось преодолеть трудности и предложить гибридный вычислительный метод, совмещающий в себе квантовое моделирование с классическим.

«Идея метода, — поясняет Григорий Старков, — состоит в том, чтобы компенсировать влияние усредняющего эффекта квантовых суперпозиций на классическое окружение, не нарушая наиболее важных динамических корреляций».

Предложенный метод был тщательно протестирован для различных систем как путем сравнения с прямыми численными расчетами, так и непосредственно с результатами экспериментов.

Ожидается, что метод существенно расширит возможности ученых по моделированию магнитной динамики ядер в твердых телах, что, в свою очередь, поможет изучать сложные материалы методами ЯМР.

«Эта работа стала результатом многолетних усилий. За последние 70 лет много групп по всему миру пытались делать такие расчеты. Нам удалось продвинуться дальше остальных, — комментирует Борис Файн. — Мы очень надеемся, что наш гибридный подход найдет широкое применение как в ЯМР, так и за его пределами».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

Вчера, 11:54
Александр Березин

Среди полностью привитых препаратом от центра «Вектор» процент заболевших Covid-19 слабо отличим от процента заболевших среди тех, кто не прошел вакцинацию. В то же время среди привитых другими вакцинами этот показатель в несколько раз ниже, чем среди непривитых.

Вчера, 20:51
Илья Ведмеденко

Bell показала концепты скоростных аппаратов, способных зависать в вертолетном режиме. Предполагается, что они будут иметь скорость, сравнимую с реактивными самолетами.

1 августа
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

29 июля
Сергей Васильев

В Канаде обнаружили окаменелости, поразительно похожие на скелет морских губок и при этом на миллионы лет старше Кембрийского взрыва, когда появились современные типы животных.

28 июля
Василий Парфенов

Компания Microsoft несколько лет назад намеревалась не изменять номер своей основной операционной системы для компьютеров — «десятка» должна была остаться с нами надолго. Однако очередное крупное обновление, по мнению маркетологов, очевидно, оказалось достойно новой цифры в названии ОС. Windows 11 принесет пользователям не только новые функции, улучшения безопасности и быстродействия, а также измененный дизайн, но и лишится некоторых привычных элементов. Хотя если кто-то и расстроится из-за этого, то скучать будет лишь по парочке из них.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: