Ученые придумали, как соединить квантовую физику с классической — Naked Science
6 минут
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.
Сколтех
170 статей
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.
26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

28 февраля
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

11 часов назад
8 минут
Мария Азарова

Хотите увидеть ожившего Шекспира или подмигивающую вам госпожу Лизу дель Джокондо? С немного пугающей всех нас технологией deepfake это можно сделать всего за пару минут.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

24 февраля
10 минут
Мария Азарова

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно объяснить родом занятий.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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: