近日，中科大微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、石發(fā)展教授等與愛荷華大學(xué)巫曉東教授合作，在金剛石氮-空位（NV）色心體系的量子精密測量方面取得新進(jìn)展。利用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，對基于金剛石量子精密測量技術(shù)的納米核磁共振二維譜進(jìn)行加速，將探測效率提高近一個量級。該研究成果以“Artificial intelligence enhanced two-dimensional nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy”為題，發(fā)表在2020年9月的《npj Quantum Information》上 [npj Quantum Information 6, 79 (2020)]。

       物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的解析是化學(xué)和生命科學(xué)研究物質(zhì)性質(zhì)和功能的重要手段，核磁共振因具有無損，生理條件甚至原位探測等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)。傳統(tǒng)的核磁共振技術(shù)受限于信號收集方法，僅能測量數(shù)十億以上分子系綜產(chǎn)生的集體信號。近年來，以金剛石氮-空位色心為磁傳感器，實現(xiàn)了納米磁共振譜學(xué)。

       中科大微觀磁共振重點實驗室在基于NV色心的納米核磁共振方向，在光探測磁共振（ODMR）實驗平臺上，首次以一對耦合的碳-13核自旋為探測對象，實現(xiàn)納米二維核磁共振譜 [發(fā)表于今年初的Adv. Quantum Technol. 2020, 3, 1900136 (2020)]。由于微觀核磁信號極弱，在納米尺度二維核磁共振譜測量的實驗中，為了獲得較高的信噪比，往往需要消耗很長的時間（數(shù)小時到天）來累積信號。為了提升探測效率，杜江峰領(lǐng)銜的研究團隊將人工智能的方法應(yīng)用于二維核磁共振譜的數(shù)據(jù)處理與分析，通過模型數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合矩陣填充的方法，最終使得在時間消耗為10%的條件下，仍能獲得近4倍（~5.7dB）信噪比的提升。

       二維譜是自旋距離解析的關(guān)鍵，也是單分子結(jié)構(gòu)解析的基礎(chǔ)。該工作提供了一種適用于二維核磁共振譜學(xué)加速的普適方法，能夠應(yīng)用于納米尺度下單分子的結(jié)構(gòu)解析。

       南京大學(xué)孔熙副教授、美國愛荷華大學(xué)周磊鑫博士和中科院微觀磁共振重點實驗室博士生李志杰為該文共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。

圖 (a) 采取深度學(xué)習(xí)算法之后，可以從少量的信息中提取復(fù)雜的納米核磁譜線信息，從而大大提高實驗測量效率。(b) 深度學(xué)習(xí)結(jié)合矩陣填充算法在保持重構(gòu)能力的同時可以去除掉偏倚。

       國儀量子基于光探測磁共振（ODMR）技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)量子鉆石單自旋譜儀，運用基于NV色心的量子精密測量技術(shù)，也可以實現(xiàn)納米核磁共振，開展納米尺度二維核磁共振譜測量等相關(guān)實驗研究工作。該譜儀是國際*商用的光探測磁共振譜儀，性能穩(wěn)定，功能強大，將更好地助力科研工作者更加便捷地完成相關(guān)研究。

       量子鉆石單自旋譜儀是一臺基于氮-空位（NV色心）的以自旋磁共振為原理的量子實驗平臺，通過控制光、電、磁等基本物理量，實現(xiàn)對鉆石中NV色心發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，具有初態(tài)是量子純態(tài)，自旋量子相干時間長，量子操控能力強大，量子塌縮測量實驗結(jié)果直觀等*優(yōu)勢。

       量子鉆石單自旋譜儀在譜學(xué)分析和結(jié)構(gòu)解析等應(yīng)用中具有獨到優(yōu)勢，可實現(xiàn)單蛋白等單分子電子順磁共振，納米尺度核磁共振，活體細(xì)胞溫度、磁場、動作電位探測等。