Российские ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) сделали важный шаг в расчетах динамики масштабных квантовых систем, которые состоят из микрочастиц, таких как электроны и фотоны. Эта задача долгое время представляла большую сложность для мировой науки, поскольку классические методы моделирования требуют астрономических вычислительных ресурсов — даже современные суперкомпьютеры оказываются бессильны перед подобными объемами данных. Теперь, благодаря синтезу квантовых и классических подходов, специалисты Сколтеха предлагают инновационное решение, открывающее новые перспективы для изучения сложнейших процессов на молекулярном уровне. Разработка поддержана Российским научным фондом, что подчеркивает ее стратегическую значимость для отечественной науки.
Новая эра квантовых расчетов: синергия идей
Традиционно расчет взаимодействия большого числа квантовых частиц сопровождался непреодолимыми трудностями из-за экспоненциального роста числа состояний системы. В своем исследовании ученые выдвинули идею: центральную, наиболее сложную часть квантовой системы моделировать с помощью квантовых алгоритмов, а окружение описывать проверенными классическими методами. Такой гибридный подход не только резко сокращает вычислительные затраты, но и позволяет получать результаты, ранее недоступные научному миру. Новая методика уже подтверждена на примере задач ядерного магнитного резонанса (ЯМР), что служит убедительным свидетельством ее эффективности и универсальности.
Теория и практика: значение успеха для ЯМР
Почти все, что нас окружает, состоит на фундаментальном уровне из атомов. В свою очередь, атомные ядра часто выступают миниатюрными магнитами за счет магнитного момента, возникающего при взаимодействии с внешним магнитным полем. Явление ядерного магнитного резонанса получило мировую известность, в том числе благодаря медицинской визуализации (МРТ), и занимает важное место в физике и биохимии. Главная задача — научиться предсказывать, как поведут себя ядра в твердых телах под воздействием изменяющихся магнитных полей, — долгое время оставалась на грани научной фантастики. Новый подход Сколтеха позволяет строить более точные предсказания отклика ядер, что открывает путь к созданию точных моделей сложных материалов и облегчает разработку новых технологий.
Гибридное моделирование как универсальный инструмент
Суть инновационного метода заключается в гармоничном объединении квантовых и классических моделей. Если классическая система всегда имеет строго определенное состояние, то квантовый объект может существовать сразу в нескольких состояниях, что и приводит к увеличению сложности математических расчетов. Новый гибридный алгоритм обеспечивает корректное согласование границ между квантовой и классической областями, что дает возможность масштабировать расчеты практически без потери точности. Этот подход актуален не только для ЯМР, но и для широкого круга научных задач — от физики конденсированного состояния до молекулярной биологии и материаловедения.
Перспективы дальнейшего развития и применения
Успех ученых Сколтеха вдохновляет научное сообщество на дальнейшие исследования. Опробованная методика способна значительно ускорить процессы компьютерного моделирования сложных квантовых систем и открыть доступ к расчетам, которые считались невозможными. Ожидается, что данный подход будет активно внедряться как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях, в том числе в разработке новых лекарств и материалов, а поддержка Российского научного фонда свидетельствует о высокой значимости проекта для развития национальной стратегии в области науки и технологий.
Инновации, создаваемые в России, становятся заметными не только среди отечественных исследователей, но и на мировой научной арене. Новый гибридный способ моделирования больших квантовых систем способен вывести изучение микро- и нанообъектов на совершенно новый уровень, ускоряя технологический прогресс и открывая новые горизонты для будущих открытий.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
