中国科大等首次实现零磁场核磁共振的普适量子控制及其保真度评估

由中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中国科学院微观磁共振重点实验室在零磁场核磁共振方面取得新进展，该实验室教授彭新华课题组与德国亥姆霍兹研究所、加拿大滑铁卢大学合作，首次实现了零磁场核自旋体系的普适量子控制和发展了用于评估量子控制和量子态的方法，这一成果有望推动零磁场核磁共振在生物、医学、化学以及基础物理领域中的应用。该研究工作以Experimental Benchmarking of Quantum Control in Zero-field Nuclear Magnetic Resonance 为题，发表在6月15日的《科学进展》上[Science Advances 4, eaar6327 (2018)]。

零磁场核磁共振是一个正在快速发展的新领域，它具有许多突出的优势，例如消除了传统核磁共振对超导磁体的依赖性、高分辨率谱学、丰富的自旋动力学等。然而，零磁场核磁共振面临多方面的困难：首先，在零磁场下，核磁共振信号的频率通常小于1 kHz，传统核磁共振的感应探测方法完全失效，探测零磁场核磁共振信号非常困难；其次，零磁场核磁共振由于不同的核自旋的拉莫进动频率为零，因此无法使用选择性脉冲进行操控，如何实现普适的量子控制是亟需解决的难题。

实验中，零磁场下极其微弱的核磁共振信号的测量采用了极其灵敏的原子磁力计（atomic magnetometer）作为探测器，其灵敏度达到了10 fT/√Hz。将探测器与样品一直放置于小于0.1 nT（10-10 T）磁场的屏蔽桶内，此时样品产生的微小磁场信号也能够被原子磁力计捕获到，可实现在零磁场下对核自旋体系的精密测量。基于这强有力的探测手段，课题组测量了同位素标记液体甲酸分子，观测到甲酸分子在零磁场环境下，弛豫时间（T2）达到了10.3秒，谱线的分辨率达到了32 mHz，该实验结果超过了传统核磁共振的谱线分辨率，展示了利用零磁场核磁共振实现的高分辨率谱学，而高分辨率谱学对生物、医学、化学等领域具有重要的应用。

课题组利用精心设计的组合脉冲实现了原子核自旋的单比特门和多比特门，首次实现了零磁场核磁共振的普适量子控制，同时发展了评估量子控制保真度的方法，对量子控制的质量进行了评估，操控保真度高达99%。基于该工作发展的量子控制技术，可以实现对不同自旋之间相互作用的选择性测量，而选择出的反对称性自旋相互作用可以用于检验分子的宇称不守恒规律，该工作提供了将零磁场核磁共振应用于基础物理研究的可能性。另外，普适量子控制技术的发展和实现也将有望推动零磁场核磁共振在生物、医学及化学领域的应用。

中科院微观磁共振重点实验室的博士研究生江敏和德国亥姆霍兹研究所的吴腾为文章共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省的资助。

左图为该工作设计的零磁场核磁共振谱仪；右图展示了核磁共振样品在零磁场环境下具有较长的弛豫时间