Ученые придумали, как соединить квантовую физику с классической
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
111 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.
Вчера, 09:33
4 минуты
Сергей Васильев

Одна из самых больших черных дыр обладает соответствующим аппетитом: имея массу около 34 миллиардов масс Солнца, она добавляет еще по одной каждый день.

Позавчера, 12:50
6 минут
Денис Гордеев

Точной причины мора ученые пока не знают. Возможно, дело в новом патогене, еще не известном науке.

Вчера, 20:18
6 минут
Мария Кривоченко

Ученые давно догадывались, что животные предчувствуют землетрясения. Но до сих пор доказать это не получалось: одних наблюдений за тем, как их поведение меняется перед катаклизмом, не хватало. Группа европейских исследователей, наконец, смогла объяснить этот феномен.

1 июля
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

1 июля
5 минут
Сергей Васильев

Точные данные о локализации центра масс Солнечной системы важны для поиска гравитационных волн, поэтому астрономы выяснили его с ошибкой не более 100 метров.

29 июня
7 минут
Мария Кривоченко

Группа астрономов из проекта RedDots обнаружила две суперземли и планету-кандидата, вращающиеся вокруг красного карлика Lacaille 9352. Ее звездная система одна из самых близких к Солнцу. Открытые планеты находятся в обитаемой зоне, и авторы исследования считают, что они могут быть вполне пригодны для жизни.

27 июня
8 минут
Sergei Sobol

Уроки астрономии вернулись в российские школы в 2018 году. За то время, пока эта наука была необязательным предметом, в ней произошло много событий, не все из которых нашли отражение в учебниках. Кроме того, в них и раньше не были упомянуты многие интересные факты.

1 июля
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

18 июня
9 минут
Sergei Sobol

Россия знала многих правителей. Сможете ли вы распознать их по следу, оставленному в истории?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: