Skolkovo teaduse ja tehnoloogia instituudi vene füüsikud on välja töötanud uue meetodi, mis võimaldab kvant- ja klassikaliste arvutuste kombineerimisel arvutada suurte kvantsüsteemide dünaamikat. Meetodit on edukalt rakendatud tuumamagnetresonantsi probleemide lahendamisel.
Nagu teate, koosneb mis tahes materiaalne objekt meie ümber aatomitest ja aatomid - negatiivselt laetud elektronidest ja positiivselt laetud tuumadest. Paljud aatomituumad on omakorda pisikesed magnetid, mida saab erutada raadiosagedusliku magnetvälja abil - seda nähtust nimetatakse tuumamagnetresonantsiks. See avastati kahekümnenda sajandi esimesel poolel ning sellest ajast alates on selle avastamise ja rakendamise eest saadud viis Nobeli preemiat. Selle kuulsaim rakendus on magnetresonantstomograafia.
Vaatamata enam kui poole sajandi pikkusele ajaloole on tuumamagnetresonantsi teoorias endiselt lahendamata probleeme. Üks neist on tahkete ainete tuumamagnetimomentide reageerimise kvantitatiivne prognoosimine raadiosagedusliku impulsi häiringutele. See probleem on erijuhtum üldisemast probleemist, mis seisneb suure hulga kvantosakestest koosnevate süsteemide dünaamika kirjeldamises. Selliste süsteemide otsene arvutisimulatsioon nõuab tohutult arvutusressursse, mis kellelgi puuduvad.
Ligikaudne lähenemisviis paljude osakestega süsteemide kirjeldamiseks on kvantfüüsika kasutamine ainult süsteemi keskosa modelleerimiseks, ülejäänud süsteem modelleeritakse aga klassikaliselt, see tähendab ilma kvant-superpositsioonideta. Selles lähenemisviisis on kvantdünaamika ühendamine klassikalisega siiski mittetriviaalne ülesanne, mis tuleneb samadest kvant-superpositsioonidest: kuigi klassikaline süsteem on korraga ainult ühes olekus, võib kvantisüsteem olla korraga mitmes olekus: pole selge, milline neist seisundid superpositsioonil süsteemi kvantosa klassikalisele osale reageerimise tõttu.
Skoltechi teadlastel, abituriendil Grigori Starkovil ja professor Boris Fine'il on õnnestunud välja pakkuda hübriidarvutusmeetod, mis ühendaks kvant- ja klassikalise modelleerimise. Idee on kompenseerida kvant-superpositsioonide keskmistava mõju mõju klassikalisele keskkonnale, purustamata olulisemad dünaamilised korrelatsioonid. Meetodit on erinevate süsteemide jaoks põhjalikult testitud, nii otseste arvuliste arvutuste kui ka katsetuste abil. Eeldatakse, et meetod laiendab märkimisväärselt teadlaste võimalusi simuleerida tahkete ainete tuumade magnetilist dünaamikat, mis omakorda aitab uurida keerulisi materjale tuumamagnetresonantsi meetodeid kasutades.
Aleksander Ponomarev
