中國科大等首次實現零磁場核磁共振的普適量子控制及其保真度評估

由中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中國科學院微觀磁共振重點實驗室在零磁場核磁共振方面取得新進展，該實驗室教授彭新華課題組與德國亥姆霍茲研究所、加拿大滑鐵盧大學合作，首次實現了零磁場核自旋體系的普適量子控制和發展了用於評估量子控制和量子態的方法，這一成果有望推動零磁場核磁共振在生物、醫學、化學以及基礎物理領域中的應用。該研究工作以Experimental Benchmarking of Quantum Control in Zero-field Nuclear Magnetic Resonance 為題，發表在6月15日的《科學進展》上[Science Advances 4, eaar6327 (2018)]。

零磁場核磁共振是一個正在快速發展的新領域，它具有許多突出的優勢，例如消除了傳統核磁共振對超導磁體的依賴性、高解析度譜學、豐富的自旋動力學等。然而，零磁場核磁共振面臨多方面的困難：首先，在零磁場下，核磁共振信號的頻率通常小於1 kHz，傳統核磁共振的感應探測方法完全失效，探測零磁場核磁共振信號非常困難；其次，零磁場核磁共振由於不同的核自旋的拉莫進動頻率為零，因此無法使用選擇性脈衝進行操控，如何實現普適的量子控制是亟需解決的難題。

實驗中，零磁場下極其微弱的核磁共振信號的測量採用了極其靈敏的原子磁力計（atomic magnetometer）作為探測器，其靈敏度達到了10 fT/√Hz。將探測器與樣品一直放置於小於0.1 nT（10-10 T）磁場的屏蔽桶內，此時樣品產生的微小磁場信號也能夠被原子磁力計捕獲到，可實現在零磁場下對核自旋體系的精密測量。基於這強有力的探測手段，課題組測量了同位素標記液體甲酸分子，觀測到甲酸分子在零磁場環境下，弛豫時間（T2）達到了10.3秒，譜線的解析度達到了32 mHz，該實驗結果超過了傳統核磁共振的譜線解析度，展示了利用零磁場核磁共振實現的高解析度譜學，而高解析度譜學對生物、醫學、化學等領域具有重要的應用。

課題組利用精心設計的組合脈衝實現了原子核自旋的單比特門和多比特門，首次實現了零磁場核磁共振的普適量子控制，同時發展了評估量子控制保真度的方法，對量子控制的質量進行了評估，操控保真度高達99%。基於該工作發展的量子控制技術，可以實現對不同自旋之間相互作用的選擇性測量，而選擇出的反對稱性自旋相互作用可以用於檢驗分子的宇稱不守恆規律，該工作提供了將零磁場核磁共振應用於基礎物理研究的可能性。另外，普適量子控制技術的發展和實現也將有望推動零磁場核磁共振在生物、醫學及化學領域的應用。

中科院微觀磁共振重點實驗室的博士研究生江敏和德國亥姆霍茲研究所的吳騰為文章共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省的資助。

左圖為該工作設計的零磁場核磁共振譜儀；右圖展示了核磁共振樣品在零磁場環境下具有較長的弛豫時間

來源：中國科學院中國科學技術大學

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