Venäläiset fyysikot Skolkovon tiede- ja teknologiainstituutista ovat kehittäneet uuden menetelmän, joka mahdollistaa kvanttien ja klassisten laskelmien yhdistämisen laskemalla suurten kvanttijärjestelmien dynamiikan. Menetelmää on sovellettu onnistuneesti ydinmagneettisen resonanssin ongelmiin.
Kuten tiedät, mikä tahansa materiaaliobjekti ympärillämme koostuu atomista ja atomeista - negatiivisesti varautuneista elektroneista ja positiivisesti varautuneista ytimistä. Monet atomiytimet puolestaan ovat pieniä magneetteja, joita voi herättää radiotaajuinen magneettikenttä, ilmiö, jota kutsutaan ydinmagneettiseksi resonanssiksi. Se löydettiin 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, ja siitä lähtien sen löytämisestä ja soveltamisesta on saatu viisi Nobel-palkintoa. Sen tunnetuin sovellus on magneettikuvaus.
Yli puolen vuosisadan historiasta huolimatta ydinmagneettisen resonanssin teoriassa on edelleen ratkaisematta olevia ongelmia. Yksi niistä on kiinteiden aineiden ydinmagneettisten momentien vasteen kvantitatiivinen ennustaminen radiotaajuuspulssin aiheuttamalle häiriölle. Tämä ongelma on erityistapaus yleisemmästä ongelmasta kuvata järjestelmiä, jotka koostuvat suuresta määrästä kvanttihiukkasia. Tällaisten järjestelmien suora tietokoneellinen simulointi vaatii valtavia laskennallisia resursseja, joita kukaan ei ole.
Arvioitu lähestymistapa monipartikkelisten järjestelmien kuvaamiseen on käyttää kvanttifysiikkaa vain järjestelmän keskusosan mallintamiseen, kun taas loput järjestelmästä on mallinnettu klassisesti, toisin sanoen ilman kvantti superpositioita. Tässä lähestymistavassa kvantidynamiikan yhdistäminen klassiseen on kuitenkin ei-triviaalinen tehtävä johtuen samoista kvantisuperpositiiveista: vaikka klassinen järjestelmä on vain yhdessä tilassa kerrallaan, kvanttijärjestelmä voi olla useissa tiloissa samanaikaisesti: ei ole selvää, kumpi tilat superpositiossa johtuen järjestelmän kvanttiosan vaikutuksesta klassiseen osaan.
Skoltech-tutkijat, jatko-opiskelija Grigory Starkov ja professori Boris Fine ovat onnistuneet ehdottamaan hybridilaskentamenetelmää, jossa yhdistyvät kvantti- ja klassinen mallinnus. Ajatuksena on kompensoida kvanttien superpositioiden keskimääräisen vaikutuksen vaikutus klassiseen ympäristöön katkaisematta tärkeimpiä dynaamisia korrelaatioita. Menetelmä on testattu perusteellisesti eri järjestelmille, sekä vertaamalla suoriin numeerisiin laskelmiin että suoraan kokeellisiin tuloksiin. Menetelmän odotetaan laajentavan merkittävästi tutkijoiden kykyä simuloida kiinteiden aineiden ytimien magneettista dynamiikkaa, mikä puolestaan auttaa tutkimaan monimutkaisia materiaaleja ydinmagneettisella resonanssimenetelmällä.
Aleksanteri Ponomarev