Russische natuurkundigen van het Skolkovo Institute of Science and Technology hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee, door kwantumberekeningen en klassieke berekeningen te combineren, de dynamiek van grote kwantumsystemen kan worden berekend. De methode is met succes toegepast op problemen van nucleaire magnetische resonantie.
Zoals je weet, bestaat elk materieel object om ons heen uit atomen en atomen - uit negatief geladen elektronen en positief geladen kernen. Veel atoomkernen zijn op hun beurt kleine magneten die kunnen worden opgewekt door een radiofrequent magnetisch veld, een fenomeen dat bekend staat als nucleaire magnetische resonantie. Het werd ontdekt in de eerste helft van de twintigste eeuw en sindsdien zijn er voor zijn ontdekking en toepassing vijf Nobelprijzen ontvangen. De bekendste toepassing is magnetische resonantiebeeldvorming.
Ondanks meer dan een halve eeuw geschiedenis zijn er nog steeds onopgeloste problemen in de theorie van nucleaire magnetische resonantie. Een daarvan is de kwantitatieve voorspelling van de respons van nucleair magnetische momenten in vaste stoffen op een storing door een radiofrequentiepuls. Dit probleem is een speciaal geval van een meer algemeen probleem van het beschrijven van de dynamica van systemen die uit een groot aantal kwantumdeeltjes bestaan. Directe computersimulatie van dergelijke systemen vereist enorme rekenkracht waarover niemand beschikt.
Een benaderende benadering voor het beschrijven van veel-deeltjessystemen is om de kwantumfysica alleen te gebruiken om het centrale deel van het systeem te modelleren, terwijl de rest van het systeem klassiek wordt gemodelleerd, dat wil zeggen, zonder kwantumsuperposities. In deze benadering is het combineren van kwantumdynamica met de klassieke echter een niet-triviaal probleem vanwege dezelfde kwantumsuperposities: terwijl het klassieke systeem zich in slechts één toestand tegelijk bevindt, kan een kwantumsysteem zich in meerdere toestanden tegelijkertijd bevinden: het is niet duidelijk welke van staten in superpositie als gevolg van de actie van het kwantumgedeelte van het systeem op het klassieke.
Skoltech-onderzoekers, afgestudeerde student Grigory Starkov en professor Boris Fine, zijn erin geslaagd een hybride computationele methode voor te stellen die kwantummodellering en klassieke modellering combineert. Het idee is om het effect van het gemiddelde effect van kwantumsuperposities op de klassieke omgeving te compenseren zonder de belangrijkste dynamische correlaties te doorbreken. De methode is voor verschillende systemen uitvoerig getest, zowel door vergelijking met directe numerieke berekeningen als direct met experimentele resultaten. Verwacht wordt dat de methode het vermogen van wetenschappers om de magnetische dynamica van kernen in vaste stoffen te simuleren aanzienlijk zal vergroten, wat op zijn beurt zal helpen bij het bestuderen van complexe materialen met behulp van nucleaire magnetische resonantiemethoden.
Alexander Ponomarev
