Атомы и их строительные блоки подчиняются законам квантовой физики, которые часто поражают воображение. В нашем повседневном мире теннисный мяч можно вращать вокруг своей оси с любой произвольной скоростью. С другой стороны, ядерные спины могут вращаться только с одной фиксированной скоростью, влево или вправо — их вращение квантовано.
Рабочая группа под руководством профессора Штеффена Глейзера из химического факультета Мюнхенского технического университета разрабатывает математические процедуры для целенаправленного управления поведением ядерных спинов с максимальной эффективностью. С помощью разработанной методики группе уже удалось определить оптимальный контраст для МРТ-изображений. Используя их идеи, теперь можно продвинуться дальше в развитии процессов визуализации.
Экзотический мир квантовых явленийДля будущих технологий квантового компьютера или технологий, таких как спектроскопия ядерного магнитного резонанса, одного из наиболее важных аналитических инструментов в современной химии, необходимо лучшее понимание оптимального управления связанными спинами. Здесь связанные вращения могут влиять друг на друга, приводя к еще более сложным эффектам.
Например, в квантовом мире существует явление, известное как суперпозиция. Перенесенный в наш повседневный мир, это означало бы, что ядерные спины могут вращаться вправо и влево одновременно. Запутанность квантовых состояний — еще один пример.
Эйнштейн назвал этот эффект «жутким действием на расстоянии». Однако эта «жуткость» несет в себе большой технический потенциал, который варьируется от точных измерений до безопасной передачи данных.
Одна картинка стоит тысячи словКвантовые свойства связанных ядерных спинов математически описываются с помощью так называемых матриц плотности. «Это абстрактные столбцы чисел, требующие очень большого опыта, чтобы распознать содержащуюся в них информацию», — говорит Штеффен Глейзер.
Теперь Глейзер создал инструмент визуализации, который преобразует эти матрицы в описательные изображения.Так называемый процесс DROPS (дискретное представление операторов для спиновых систем) отображает матрицу плотности на трехмерные каплевидные объекты. Они отражают все квантово-механические взаимодействия и сцепления между спинами в данный момент времени.Приложение для смартфона и планшета
Чтобы проиллюстрировать создание, деформацию и вращение спин-спиновых корреляций под действием контролируемых магнитных полей в реальном времени, Штеффен Глейзер вместе со своим сыном разработал приложение для смартфонов и планшетных компьютеров.«Эта программа обеспечивает интуитивно понятный и понятный доступ к увлекательному миру теории квантового управления для всех, кто имеет дело с оптимальным управлением и использованием квантовых явлений».
Приложение «SpinDrops» доступно для бесплатной загрузки в App Store для всех пользователей iPad и iPhone.