Proposal for Quantum Sensing Based on Two-Dimensional Dynamical Decoupling: NMR Correlation Spectroscopy of Single Molecules
核磁共振（NMR）具有巨大的应用。二维核磁共振是表征原子核和分子结构之间相关性的基本技术。为了实现单分子核磁共振的最终目标，动态去耦合（DD）增强金刚石量子传感使单核自旋和纳米级核磁共振的检测成为可能。然而，在基于DD的量子传感中仍然缺乏标准方法来表征单个分子中核自旋之间的相关性。在这里，我们提出了一种基于二维DD的量子传感方案，作为一种通用的单分子相关光谱方法。我们设计了由两组不同周期的周期DD序列组成的二维DD序列，它们可以独立设置以匹配两个不同的共振DD跃迁频率。我们发现，在共振DD条件下，传感器相干斑图作为两个独立的DD双光子脉冲数的函数，可以完全确定核自旋跃迁之间不同类型的关联。这项工作提供了一个系统的方法，相关光谱的单分子NMR。
2016-11-24 quant-ph
Stochastic Resonance and Nonlinear Response by NMR Spectroscopy
我们重新审视了量子随机共振现象的有效性的布洛赫方程的制度。我们发现，一个随机共振行为的系统的稳态响应是存在的噪声诱导的松弛动力学的特点是通过一个单一的松弛时间尺度。这张照片被一个简单的水中核磁共振实验所证实。
2000-01-26 quant-ph
Observations of Quantum Dynamics by Solution-State NMR Spectroscopy
核磁共振正在成为研究量子力学基础问题的一个有价值的实验平台。本文概述了一类混合态的制备，称为伪纯态，模仿纯量子态在高度混合的环境中通常用于描述溶液状态NMR样品。它还描述了自旋1/2核中旋量行为的NMR观察，使用磁场梯度模拟波函数崩溃，创建纠缠（或贝尔）伪纯态，并简要讨论了量子计算逻辑门，包括量子傅立叶变换。这些实验表明，液态核磁共振可以用来证明量子动力学的水平适合实验室练习。
1999-06-18 quant-ph
Coherent ultrafast core-hole correlation spectroscopy: x-ray analogues of multidimensional NMR
本文提出用二维X射线相干相关谱（2DXCS）研究核-电子跃迁和价跃迁之间的相互作用。这种技术可能会发现在未来的实验应用时，非常高强度的X射线源变得可用。通过改变脉冲之间的两个延迟周期获得的光谱显示由两种不同类型的核心跃迁耦合引起的非对角交叉峰。N1s和O 1 s信号的氨基苯酚异构体的计算说明如何新的信息多体效应的电子结构和分子的激发可以从这些光谱中提取。
2007-08-29 quant-ph
NMR spectroscopy and computing beyond myth and fiction
唯一让我感到羞耻的疯狂。
2011-09-26 nucl-th quant-ph
Experimental demonstration of selective quantum process tomography on an NMR quantum information processor
我们提出了第一个NMR实施方案的选择性和有效的量子过程层析成像没有辅助。我们推广这个计划，使它可以有效地实现只使用一组测量涉及产品运营商。该方法允许我们估计的任何元素的量子过程矩阵所需的精度，提供了一组量子态可以有效地制备。与标准的选择性和有效的量子过程层析成像相比，我们的改进技术需要更少的实验资源，因为它利用NMR测量的特殊性质，允许我们通过一组限制性的子系统测量来计算过程矩阵的特定元素。为了证明我们方案的有效性，我们实验性地对对应于“无操作”的过程进行层析成像，控制非门（CNOT）和控制阿达玛门在双量子位NMR量子信息处理器上的应用。
2018-02-08 quant-ph
Principles and Demonstrations of Quantum Information Processing by NMR Spectroscopy
本文综述了近年来我们在核磁共振（NMR）谱处理量子信息方面的研究进展。我们首先介绍了几何的NMR的合奏不可区分的自旋，然后显示如何将这种几何解释包含在一个代数的多自旋产品运营商。在本文的其余部分中，我们将使用这个代数来证明它提供了一个简单的框架，在这个框架内可以更普遍地研究量子信息处理。通过NMR实现量子算法取决于特殊类型的混合态（称为伪纯态）的可用性，我们考虑了许多不同的方法来制备这些状态，并分析了它们如何随自旋数而变化。涉及这种宏观伪纯态的过程的量子力学性质也是一个有争议的问题，为了讨论这个问题的具体条款，我们提出了核磁共振实验的结果，构成了一个宏观模拟哈代悖论。最后，一个详细的产品运营商的描述给出了最近的NMR实验，证明了一个三位量子纠错码，使用场梯度来实现一个精确已知的退相干模型。
1999-07-03 quant-ph
Enhanced microscale NMR spectroscopy of low-gyromagnetic ratio nuclei via hydrogen transfer
提出利用NV中心和氢转移增强低旋磁比核微尺度核磁共振波谱灵敏度的方法，实现化学位移和J耦合检测，灵敏度提升超一个数量级。
2025-06-19 quant-ph
Hyperpolarization-enhanced NMR spectroscopy with femtomole sensitivity using quantum defects in diamond
核磁共振（NMR）光谱是化学分析和分子结构鉴定的广泛使用的工具。因为它通常依赖于由小的热核自旋极化产生的弱磁场，NMR与其他分析技术相比具有较差的分子数灵敏度。最近，一类新的NMR传感器的基础上，光学探测的氮空位（NV）在金刚石量子缺陷允许分子光谱从样品体积几个数量级小于最敏感的电感检测器。然而，迄今为止，NV-核磁共振仪只能观察到来自纯的、高浓度样品的信号。为了克服这一限制，我们引入了一种技术，结合皮升级NV-NMR与完全集成的奥弗豪泽动态核极化（DNP）进行高分辨率光谱的各种小分子在稀溶液中，与毫微微摩尔的灵敏度。我们的技术推进了药物和天然产物发现，催化研究和单细胞研究的质量限制NMR光谱学。
2018-10-04 physics.app-ph quant-ph
The impact of noise on the simulation of NMR spectroscopy on NISQ devices
本文在 IBM 与 IonQ Aria 云量子平台上模拟小型有机分子 NMR 光谱，分析噪声影响并提出可由保真度指标计算的有效退相干率，以确定算法噪声容忍阈值。
2025-10-20 quant-ph
Quantum Memory Enhanced Multipoint Correlation Spectroscopy for Statistically Polarized NMR
Ulm University（乌尔姆大学）；NVision Imaging Technologies GmbH（NVision成像技术有限公司）
本研究提出一种结合相关光谱和量子异频检测的多点相关光谱法，用于提高统计极化纳米尺度核磁共振的灵敏度和测量效率。
2025-12-17 quant-ph
Structural analysis of nuclear spin clusters via two-dimensional nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy
二维核磁共振（NMR）在分子结构测定中是必不可少的。金刚石中的氮空位（NV）心被认为是实现纳米尺度核磁共振的一种优秀的量子传感器。在这项工作中，我们开发了一个计划的基础上的NV中心的量子控制的二维纳米级NMR光谱。我们对金刚石中两个耦合的$^{13}$ C核自旋的靶进行了原理验证实验。该方法利用类COSY序列进行时域数据采集，然后利用快速傅立叶变换（FFT）将数据转换到频域。利用二维核磁共振谱，可以分辨出核自旋集合的结构和位置。这项工作标志着解决单个分子结构的基本步骤。
2019-06-10 quant-ph
Large circuit execution for NMR spectroscopy simulation on NISQ quantum hardware
University of Applied Sciences Northwestern Switzerland (FHNW)（瑞士西北应用科学大学）；University of Basel（巴塞尔大学）
本研究利用NISQ量子硬件和误差抑制技术，实现了高场域下34个自旋系统的1D NMR光谱模拟，显著降低量子噪声并提升计算精度。
2025-12-16 quant-ph
Electron-electron double resonance detected NMR spectroscopy using ensemble NV centers at 230 GHz and 8.3 Tesla
氮空位（NV）中心使得在低磁场下的纳米级核磁共振（NMR）光谱的广泛研究成为可能。在高磁场下的核磁共振光谱显著提高了该技术的光谱分辨率，从而能够清楚地识别密切相关的化学物质。然而，NV检测的NMR通常使用通过电子自旋回波包络调制（ESEEM）的AC感测来执行，电子自旋回波包络调制是一种在高磁场下不可行的超精细光谱技术。在本文中，我们已经探索了NV检测NMR技术的高场NMR的应用。我们已经证明了光学检测磁共振（ODMR）与NV拉莫尔频率为230 GHz，在8.3特斯拉，对应于质子NMR频率为350 MHz。我们还演示了使用NV中心的电子-电子双共振检测NMR（EDNMR）的首次测量，并成功地检测到$^{13}C$核浴自旋。所描述的技术受纵向弛豫时间（$T_1$）限制，而不受横向弛豫时间（$T_2$）限制。该方法在8.3 T和更高磁场下进行外部自旋纳米级NMR的未来应用也进行了讨论。
2021-08-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
J-coupling NMR Spectroscopy with Nitrogen Vacancy Centers at High Fields
本文提出一种在高磁场下利用金刚石氮空位中心获取同核与异核J-耦合的核磁共振方案，通过噪声过滤抑制样品退相干，获得仅含高分辨率J-耦合特征的清晰谱图。
2024-10-04 quant-ph
A Study of Quantum Error Correction by Geometric Algebra and Liquid-State NMR Spectroscopy
量子纠错码能够保护包含在量子态中的信息不受由于外部扰动引起的退相干的影响。应用于NMR，量子编码不会改变正常的弛豫，而是将"数据“自旋的状态转换为涉及额外辅助自旋的多个量子相干性。这些多个量子相干性以不同的速率松弛，从而允许通过以适当的方式将它们混合在一起来近似地重建数据的原始状态。本文描述了一个简单的三比特量子码在乘积算符形式下的运算，并利用几何代数方法得到了在外部随机场中存在任意关联时的纠错后的衰减曲线.这些预测都证实了在完全相关和不相关的情况下，13 C-标记的丙氨酸的液态NMR实验，使用梯度扩散方法来实现这些理想化的退相干模型。弱极化系统中的量子纠错要求辅助自旋相对于数据自旋以伪纯态制备，这导致信号损失超过通过纠错的任何潜在增益。然而，这项研究表明，量子编码可以用来验证理论退相干机制，并提供详细的信息相关的基础NMR弛豫动力学。
2000-04-07 quant-ph
High-Resolution NMR Spectroscopy at Large Fields with Nitrogen Vacancy Centers
本研究提出一种利用氮空位（NV）中心在高磁场下实现高分辨率NMR光谱的方法，通过将能量偏移映射到核自旋信号振幅并交替自由进动期，克服了NV传感器与高频核信号耦合的难题。
2023-04-03 quant-ph
Advances in nano- and microscale NMR spectroscopy using diamond quantum sensors
量子技术在过去几年中发展迅速。尽管量子传感器经常被量子计算所掩盖，但它在化学和生物学领域的广泛应用中显示出巨大的潜力。有一个系统特别突出：金刚石中的氮空位（NV）中心，一个原子大小的传感器，允许检测核磁共振（NMR）信号，其长度前所未有地缩小到单个质子。在这篇文章中，我们回顾了基于NV中心的量子传感的基本原理及其对纳米到微米尺度NMR光谱的显著影响。此外，我们强调并讨论了这种新技术未来可能的应用，包括能源研究，材料科学或单细胞生物学，以及这些快速发展的NMR传感器的相关挑战。
2022-05-27 physics.chem-ph quant-ph
Single molecule NMR detection and spectroscopy using single spins in diamond
利用金刚石中的氮空位（NV）中心进行纳米磁性测量，由于具有室温操作、纳米级分辨率和高灵敏度的综合特性，引起了人们极大的兴趣。纳米磁测量的重要目标之一是能够检测单个分子中的纳米级核磁共振（NMR）。我们的理论分析表明，如何在金刚石表面的单个分子，与特征的NMR频率，可以检测到使用一个接近NV中心的时间尺度上的顺序秒与纳米精度。我们执行时空分辨率优化，并概述了更高灵敏度的路径。此外，该方法适用于在低和相对不均匀的背景磁场中的应用，与传统的液态和固态NMR光谱相比。
2013-07-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Solving the quantum search problem in polynomial time on an NMR quantum computer
量子搜索问题是一个重要的问题，因为一般的NP问题可以有效地解决一个unsorted量子搜索算法。这里已经表明，量子搜索问题可以在NMR量子计算机上在多项式时间内解决。NMR系综量子计算是基于量子力学幺正动力学，即封闭量子系统和它的系综都服从同一个量子力学幺正动力学，而不是基于经典NMR量子计算的伪纯态或有效纯态。基于这一新原理，我们发展了常规的NMR多量子谱，从实验上解决了搜索问题。首先将搜索问题的解信息加载到由预言机幺正操作和预言机无关幺正操作构造的幺正演化传播子上，用于激发自旋系综中的多重量子相干性.然后利用多量子光谱技术从实验上提取溶液信息.讨论了如何增强量子搜索核磁共振多量子脉冲序列的输出信号，并提出了一些增强核磁共振信号的方法。本文的工作将有助于常规高场核磁共振机有效地解决量子搜索问题。
2002-06-16 quant-ph
NMR Based Quantum Information Processing: Achievements and Prospects
核磁共振（NMR）提供了一个实验设置，探索物理实现的量子信息处理（QIP）。在这里，我们介绍了理解应用核磁共振QIP的基本背景，并解释他们目前的成功，局限性和潜力。核磁共振波谱学以其丰富的自旋动力学的各种相干操纵而闻名。来自液态NMR光谱学的想法和仪器已被用于QIP实验。这种方法已经将该领域的复杂性提高到大约10个量子比特，这对于量子计算来说是一个很小的数字，但对于观察和更好地理解量子世界的复杂性来说足够大。虽然液态NMR是目前唯一一种即将达到这一数量量子位的技术，但复杂性的进一步增加将需要新的方法。我们勾勒出一个方向，通向一个可扩展的量子计算机使用自旋1/2粒子。下一步是基于固态NMR的QIP，能够达到10-30量子比特。
2000-04-27 quant-ph
High Resolution Magnetic Resonance Spectroscopy Using Solid-State Spins
我们展示了一个同步读出（SR）技术的振荡磁场与亚毫赫兹分辨率的光谱选择性检测，使用固态自旋的相干操纵。SR技术在基于金刚石中的氮空位（NV）中心的灵敏磁力计（~50皮特斯拉/Hz^（1/2））中实现，并且用于检测来自液态样品的核磁共振（NMR）信号。我们获得NMR光谱分辨率~3 Hz，这是近两个数量级窄于以前所证明的NV为基础的技术，使用的样品体积为~1皮升。这是NV检测NMR的第一个应用，以感测玻尔兹曼极化核自旋磁化，并首次观察化学位移和J耦合。
2017-06-14 quant-ph
Blueprint for nanoscale NMR
金刚石中的氮空位（NV）中心已被用作超灵敏磁力计，以在1 - 100 nm长度尺度下对统计极化样品进行核磁共振（NMR）光谱分析。然而，通过NV传感器相干时间和通过核通过检测体积的快速分子扩散，光谱线宽通常限于kHz水平，这反过来对于实现长的核相干时间是关键的。在这里，我们提供了一个蓝图的设置，结合了足够的灵敏度检测NMR信号从纳米到微米尺度的样品与光谱分辨率，仅限于核自旋相干，即与传统的NMR。我们的协议检测沿外部磁场的方向与近表面NV中心使用锁定检测技术，使相位相干信号平均诱导的核极化。使用NV中心的NMR检测器和光学超极化源的双重作用，以增加信噪比，并结合贝叶斯干涉模型的信号处理，纳米/微米级NMR光谱可以进行亚毫摩尔样品浓度，几个数量级优于目前的技术水平。
2017-06-21 quant-ph
Quantum sensing-enabled deuterium NMR spectroscopy with nanoscale sensitivity at low magnetic fields
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）；Diatope GmbH（迪亚托普有限公司）
本文利用钻石中的氮空位中心实现纳米级灵敏度的氘核磁共振光谱，在低磁场下实现了传统核磁共振无法达到的灵敏度和分子动态研究能力。
2026-04-28 physics.app-ph physics.chem-ph quant-ph
Nanoscale NMR Spectroscopy and Imaging of Multiple Nuclear Species
核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）是成熟的技术，可在不同的学科中提供有价值的信息，但目前仅限于宏观样品体积。在这里，我们展示了纳米级NMR光谱和成像环境条件下的样品含有多个核物种，使用氮空位（NV）的颜色中心作为传感器的钻石。与单一的，浅NV中心的金刚石芯片和样品放置在金刚石表面上，我们进行NMR光谱和一维MRI的几个纳米大小的样品含有$^1$ H和$^{19}$ F核。或者，我们采用高密度的NV层附近的金刚石芯片的表面，以证明宽场光学NMR光谱的纳米级样品含有$^1$ H，$^{19}$ F，和$^{31}$ P核，以及多物种的二维光学MRI与亚微米分辨率。对于暴露于空气中的所有金刚石样品，我们确定了一个无处不在的$^1$ H NMR信号，与金刚石表面上和置于金刚石上的任何样品下方的吸附烃或水的$\sim 1$ nm层一致。这项工作为纳米级NMR和MRI应用奠定了基础，例如单蛋白质的研究和亚细胞分辨率的功能生物成像，以及亚纳米分辨率的薄膜的表征。
2014-06-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
One- and two-dimensional N-qubit systems in capacitively coupled quantum dots
利用电容耦合量子点中的库仑阻塞效应可以构造具有反铁磁伊辛相互作用的N量子比特系统。从隧穿哈密顿量出发，我们从理论上证明了弱耦合量子点阵列的隧穿哈密顿量可以简化为核磁共振（NMR）谱的隧穿哈密顿量。量子操作仅通过施加电脉冲序列来进行。因此，在NMR光谱学和NMR量子计算机中开发的各种误差校正方法在不使用磁场的情况下是适用的。定量地讨论了N量子比特系统中一种可能的测量方案。
2001-09-04 quant-ph
Ultralow-field Nuclear Magnetic Resonance Asymmetric Spectroscopy
超低场核磁共振（NMR）为从材料科学到基础物理学的许多应用提供了新的机制。然而，实验观察到的光谱显示出不对称的振幅，与标准理论预测的有很大的不同。它的物理起源以及如何抑制它仍然不清楚。在这里，我们提供了一个全面的模型来解释不对称光谱振幅，进一步观察到更多前所未有的不对称光谱，并找到一种方法来消除它。此外，与传统的不对称现象被认为是一种讨厌的想法相反，我们表明可以从不对称光谱中获得更多的信息，例如，原子蒸气的光移和核磁共振系统的$\acute{\textrm{e}}$ $g$因子的符号。
2019-02-21 quant-ph
NMR Quantum Computation with a hyperpolarized nuclear spin bulk
我们考虑两种新的量子门机制的基础上核自旋在超极化固体$^{129}Xe$和HCl的混合物和无机半导体。我们提出了两个方案，用于实现一个控制的非（CNOT）门的基础上核磁共振（NMR）光谱和磁共振成像（MRI）从超极化固体$^{129}Xe$和HCl的混合物和光泵NMR半导体。这样的门可以基于MRI技术和光学泵浦以及光学检测技术利用可寻址的特定自旋来构建。这些方案对于在元胞自动机架构方面实现实际的量子计算机可能是有用的。
1998-11-19 quant-ph
Design and application of robust rf pulses for toroid cavity NMR spectroscopy
我们提出了强大的射频（rf）脉冲，容忍的因素，在B1场的不均匀性，显着提高了潜在的环形腔谐振器的NMR光谱应用。基于最优控制理论，采用梯度上升脉冲工程（GRAPE）算法对点到点（PP）和酉旋转（UR）脉冲进行了激励、反演和重聚焦优化。此外，应用于绝热BIR-4 UR脉冲方案的优化参数化（OP）算法实现了超短（50微秒）脉冲，与标准实现相比具有可接受的性能。OP还发现了一类新的非绝热脉冲形状，在BIR-4框架内具有改进的性能。然而，没有一个OP-BIR 4脉冲与更普遍优化的UR脉冲竞争。新脉冲的优点在模拟和实验中得到了证明。特别是，这里提出的DQF COSY结果代表了使用环形探针的2D NMR光谱的第一个实施。
2010-11-29 physics.chem-ph quant-ph
Nanoscale Solid-State Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy using Depth-Optimized Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond
体量子材料的核磁共振（NMR）和核四极共振（NQR）光谱学提供了对诸如量子相临界性、磁性和超导性等现象的洞察。随着具有磁性现象的纳米级2-D材料的出现，感应检测的NMR和NQR光谱学不足以灵敏地检测纳米材料中的较小数量的自旋。金刚石中的氮空位（NV）中心已经显示出将NMR和NQR光谱的分析能力带到纳米级的希望。然而，由于缺陷中心的深度依赖性形成效率、来自表面自旋的噪声、能带弯曲效应以及核磁场的深度依赖性，关于极化自旋的表面NMR的理想NV深度存在模糊性。在这项工作中，我们准备了一系列的浅NV系综层深度，并确定了理想的NV深度进行NMR光谱的偏振\fluorine{}在Fomblin油的金刚石表面。我们发现，使用XY 8-N噪声光谱实现SNR为3所需的测量时间在NV深度为5.4 nm处最小。为了证明NV系综的传感能力，我们对六方氮化硼薄片的\boron{}进行NQR光谱。我们比较我们最好的金刚石与以前的工作与一个单一的NV，发现这个合奏提供了一个较短的测量时间与激发直径小至4 $μ$ m。该分析为进一步的实验提供了理想的条件，这些实验涉及具有磁性的2-D材料的NMR/NQR光谱。
2021-12-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
The $^{103}$Rh NMR Spectroscopy and Relaxometry of the Rhodium Formate Paddlewheel Complex
针对低旋磁比自旋1/2核NMR信号弱的难题，本研究以甲酸铑桨轮配合物为对象，建立通过氢核极化转移增强铑-103信号并抑制振铃伪影的方法，快速测得弛豫参数，发现其高场弛豫受化学位移各向异性主导且屏蔽各向异性极大。
2023-07-23 physics.chem-ph quant-ph
Fourier Synthesis Methods for Control of Inhomogeneous Quantum Systems
在相干光谱学、成像和量子信息处理领域中，寻找能够补偿控制量子系统演化的参数中的色散的控制律（脉冲序列）是一个重要的问题。将复合脉冲技术用于此类任务具有悠久且广为人知的历史。本文介绍了量子系统动力学中色散补偿的傅里叶综合控制律设计方法。我们专注于NMR光谱和NMR成像应用中出现的系统模型。
2007-05-17 quant-ph
Algorithmic Cooling in Liquid State NMR
量子冷却是一种利用热化来提高量子比特纯化水平的方法，即它降低了量子比特系统的熵。利用梯度上升脉冲工程（GRAPE）这一最优控制算法，实现了液态核磁共振的算法冷却。将各种冷却算法应用于$^{13}$ C $_2$ -三氯乙烯的三个量子位，以几种不同的方式将系统冷却到香农熵界限之外。特别是，在一个实验中，碳量子比特被冷却了4.61倍。这项工作是一个潜在的整合工具的核磁共振量子计算到体内磁共振光谱学的一步。
2015-11-08 quant-ph
Ancilla assisted measurements on quantum ensembles: General protocols and applications in NMR quantum information processing
量子系综形成了用于研究量子物理学、量子信息科学和光谱学中的各种现象的易于访问的架构。在这里，我们回顾了一些最近的协议，测量量子系综利用辅助系统。我们还说明了这些协议实验通过核磁共振技术。特别是，我们将回顾非侵入性测量，提取各种运营商的期望值，量子态的表征，和量子过程，最后量子噪声工程。
2015-09-15 quant-ph
Nanoscale NMR Spectroscopy using Self-Calibrating Nanodiamond Quantum Sensors
常规的核磁共振（NMR）光谱依赖于从分子的宏观系综获取信号以获得关于分子结构和动力学的信息。将这种技术转移到纳米级样品大小将使分子分析没有平均的影响，在空间和时间的不均匀性，而不需要宏观体积的分析物，这两个固有的大合奏测量。基于大块金刚石芯片内部的氮空位（NV）中心的纳米级NMR实现了单核自旋灵敏度和确定化学结构所需的分辨率，但对于最敏感的设备，它们的检测体积仅限于金刚石表面上方几纳米。这使得它们无法在较厚的结构（如细胞）内以纳米级分辨率用于核自旋传感。在这里，我们展示了在（19 nm）3体积中使用多功能NV-NMR设备内的纳米金刚石，具有典型的30 nm直径的NMR信号从多个核素的检测。该装置检测由少量分析物分子产生的信号，数量级为1000。为了原位使用这些装置，必须针对每个纳米金刚石装置的未知几何形状校正检测到的信号。我们表明，这样的校准可以通过利用金刚石表面上的原子核薄层的信号来执行。这些结果，结合纳米金刚石的低毒性和它们对表面功能化的顺从性，表明纳米金刚石NV-NMR装置可以成为活细胞内基于纳米级NMR的传感的有用工具。
2019-02-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Optimal Sensing Protocol for Statistically Polarized Nano-NMR with NV Centers
本文针对液态纳米核磁共振中的扩散噪声问题，利用Fisher信息理论计算并实验证明相位敏感协议更具优势，推导了Qdyne的最优参数，实现了迄今最精确的统计极化纳米核磁共振检测。
2023-10-22 quant-ph
Tracking the precession of single nuclear spins by weak measurements
核磁共振（NMR）光谱学是用于分析分子的结构和功能以及用于执行自旋密度的三维成像的强大技术。核磁共振波谱仪的核心是检测电磁辐射，其形式为自由感应衰减（FID）信号，由原子核在外加磁场周围进动产生。虽然传统的核磁共振需要来自1 e12或更多核的信号，但灵敏磁力测量的最新进展已经将这个数字大大降低到可以检测到很少甚至单个核自旋的水平。人们自然会问，连续FID检测是否仍然可以应用于单自旋水平，或者量子反作用是否会修改甚至抑制NMR响应。在这里，我们报告使用周期性弱测量跟踪单核自旋进动。我们的实验系统由金刚石中的碳-13核自旋组成，这些核自旋与附近氮空位中心的电子自旋弱相互作用，充当光学可读的米量子比特。我们观察到量子反作用的两个重要效应：测量引起的退相干和与采样时钟的频率同步。我们使用周期性的弱测量来证明灵敏的，高分辨率的NMR光谱的多个核自旋与先验未知的频率。我们的方法可以提供最佳的路线进行单分子NMR在原子分辨率。
2019-04-12 quant-ph
Geometric vs. Dynamical Gates in Quantum Computing Implementations Using Zeeman and Heisenberg Hamiltonians
量子计算在几何相位方面，即Berry或Aharonov-Anandan相位，在一定程度上是容错的。我们研究其实现的基础上塞曼耦合旋转场和各向同性海森堡相互作用，描述NMR，也可以实现在量子点和冷原子。利用量子比特基态的一种新的物理表示，我们构造了基于Berry相位和Aharonov-Anandan相位的$π/8$和Hadamard门。对于旋转场中的两个相互作用的量子比特，我们发现，当两个量子比特的旋磁比相等时，基于Berry相位或基于Aharonov-Anandan相位的两个量子比特门总是不可能构造的。在实现量子门的通用集合时，可以组合几何$π/8$和Hadamard门以及动态$\sqrt{\rm SWAP}$门。
2008-09-12 quant-ph
Quantum Simulations with Unitary & Nonunitary Controls: NMR implementations
费曼在1982年提出了使用量子模拟器进行量子模拟的想法。量子模拟器基本上是一个可控的量子系统，可以模拟我们希望研究的其他量子系统的动力学。在这篇论文中，我们研究了使用酉控制和非酉控制的量子模拟的一些方面。在幺正部分，我们实验模拟了量子多体冻结现象，并开发了一个通用的协议来分解一个任意的幺正算符。在非幺正部分，我们通过人工诱导相位退相干来研究相位退相干，利用噪声谱和量子过程层析技术对相位退相干进行了表征，并利用标准动力学解耦技术对相位退相干进行了抑制。虽然我们在NMR装置中使用核自旋系统作为我们的量子测试平台，但大多数概念都是通用的，并且适用于其他地方。
2017-01-12 quant-ph
Experimental implementation of quantum gates with one and two qubits using Nuclear Magnetic Resonance
核磁共振（NMR）是一种广泛使用的技术，在化学、医学和材料科学中有着悠久的应用历史。20年前，自从科里的工作以来，它也成为量子计算的可靠来源。它的主要优点之一是可以实现任意幺正变换的容易性，以及它的实验简单性，可以追溯到非常简单的NMR例程，这些例程在很久以前就被广泛使用。然而，一些缺点也随之而来，主要涉及到在初始化和测量过程中的实验工作，以及可扩展性。在这项工作中，我们已经成功地探测了一些简单的量子门（保利-Z，保利-X和阿达玛）在一个和两个量子比特系统，实现在NMR实验。这项工作包括伪纯态准备，其次是应用门，和量子层析成像方法，必要的重建密度矩阵。实验用氯仿样品进行，置于300 MHz Bruker Avance II光谱仪中，该光谱仪配备有具有7 T磁场的超导磁体。
2021-02-23 quant-ph
Optimal Control of Spin Dynamics in the Presence of Relaxation
相干光谱学中的实验对应于量子力学系综的控制，引导它们从初始状态到最终目标状态。完成这些转换的控制输入（脉冲序列）应被设计为使弛豫效应最小化，并优化实验的灵敏度。例如，在核磁共振（NMR）光谱学中，一个基本重要的问题是在存在弛豫的情况下，两个自旋之间的相干或极化转移的最大效率是多少。此外，达到这种效率的最佳脉冲序列是什么？在这封信中，我们开始研究一类控制系统，从而导致上述问题的分析答案。NMR光谱学中最常用的实验报告了灵敏度的意外增益。
2002-08-07 quant-ph
The Fantastic Four: A plug 'n' play set of optimal control pulses for enhancing nmr spectroscopy
我们提出了高度鲁棒的，基于最佳控制的整形脉冲，旨在取代给定脉冲序列中的所有90°和180°硬脉冲，以提高性能。特别注意确保脉冲可以简单地以一对一的方式取代原始硬脉冲，而不对现有序列进行任何额外的修改。因此，每个核的四个脉冲的集合由相同持续时间的90°和180°点对点（PP）和万向旋转（UR）脉冲组成。这些1 ms脉冲在20 kHz（1H）和35 kHz（13 C）的谐振偏移上提供均匀的性能，并容许（+/-）15%（1H）和（+/-）10%（13 C）的相当大的射频（RF）不均匀性/误校准，使它们特别适合于小到中等大小分子的NMR（对于其，脉冲期间的弛豫效应可忽略不计）在600 MHz的可获得的和广泛使用的谱仪场强度下进行。传统的硬脉冲序列的实验性能被证明是大大提高，通过将新的脉冲，每组被称为神奇四侠（Fanta 4）。
2012-09-01 physics.chem-ph quant-ph
Nonvolatile quantum memory enables sensor unlimited nanoscale spectroscopy of finite quantum systems
在纳米级计量应用中，测量通常受到传感器性能的限制。在这里，我们表明，在核磁共振（NMR）光谱测量使用单氮空位（NV）中心的金刚石，NV传感器电子自旋限制光谱分辨率下降到几百Hz，这限制了有限自旋系统的表征和相干控制，此外，是不够的高分辨率NMR光谱，旨在单分子识别和结构分析后者。为了克服这一限制，我们支持一个NV电子自旋传感器与核自旋量子位作为量子和经典存储器允许中间非易失性存储的计量信息，同时抑制有害的反作用的传感器到系统的调查。我们证明量子和经典的存储寿命分别为8毫秒和4分钟的环境条件下。此外，我们设计和测试的测量和去耦协议，有效地利用这样的内存量子位。使用我们的混合量子-经典传感器设备，我们实现了高分辨率的NMR光谱，单自旋线宽下降到13 Hz。因此，我们的工作是一个先决条件，高分辨率NMR光谱的纳米量子系统下降到单级。
2016-10-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Introduction to the multiple-quantum operator spaces
多量子核磁共振波谱技术在生物大分子结构的测定和各种物理材料性质的研究中有着广泛的应用。在量子计算中，多量子跃迁过程被用来构造量子线路、量子算法和量子模拟。多量子算符代数空间与多自旋量子系统的对称性密切相关。它们可能对自旋系统的多量子跃迁过程和多量子NMR谱产生重要影响。本文简要介绍了多量子算子代数空间。
2009-07-11 quant-ph
Quantum Entanglement Control in Two-Spin-1/2 NMR Systems Through Magnetic Fields and Temperature
Advanced Imaging Research Center, University of Texas Southwestern Medical Center（先进成像研究中心，德克萨斯大学西南医学中心）
本文通过磁场和温度控制两个自旋-1/2核磁共振系统中的量子纠缠，揭示了纠缠与温度和磁场的关系，并建立了纠缠度量与核磁共振可观测量的联系。
2025-11-30 quant-ph
Atomic-scale structure analysis of a molecule at a (6-nanometer)$^3$ ice crystal
水是自然界中最重要的溶剂。研究水分子之间的相互作用是一个重要的课题。核磁共振（NMR）光谱是检测分子结构分析中磁相互作用的最有力的工具之一，具有广泛的应用。但是传统的核磁共振光谱学需要宏观的样品量，这在研究纳米结构时是有障碍的。通过对单个自旋量子传感器的量子控制，实现了对纳米级有机分子和单分子的磁共振光谱分析。然而，在纳米尺度下测量分子内核自旋的偶极相互作用并分析其结构仍然是一个很大的挑战。在这里，我们成功地检测（6纳米）$^3$检测体积的冰晶的NMR光谱。更重要的是，记录了水分子的两个质子核自旋之间的磁偶极耦合。分辨的分子内磁偶极相互作用约为15 kHz和33 kHz，光谱分辨率为几kHz。通过对相互作用分辨的核磁共振谱的分析，可以得到纳米冰晶的空间结构，由此可以得到水分子键的取向，进而可以得到键的长度。该工作使核磁共振波谱技术在单分子结构分析中的应用成为可能，为纳米晶和承压水的研究提供了进一步的工具。
2017-05-25 physics.chem-ph quant-ph
High-resolution spectroscopy of single nuclear spins via sequential weak measurements
近年来，量子传感器已经实现了对少量或单个核自旋的磁矩的探测和对它们的磁共振信号的测量。然而，光谱分辨率，核磁共振的一个关键特征，已被限制在几kHz的传感器在室温下的松弛。来自单个核自旋的NMR信号的光谱分辨率可以通过例如，使用量子存储器，但以牺牲灵敏度为代价。另一方面，经典信号可以通过使用连续测量技术以出色的光谱分辨率进行测量，而不会影响灵敏度。要将这些技术应用于单自旋NMR，关键是要克服量子测量固有的反作用的影响。在这里，我们报告一个单一的$^{13}$ C核自旋的连续弱测量。重复弱测量的反作用导致自旋经历从相干捕获到相干振荡的量子动力学相变。在室温下的单自旋NMR的光谱分辨率为3.8 Hz。这些结果使测量相关计划的检测非常弱耦合的单自旋的使用。
2018-08-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Concatenated Composite Pulses Applied to Liquid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
在核磁共振（NMR）中广泛应用的复合脉冲的基础上，发展了一种具有高精度的量子信息处理（QIP）幺正运算，即连续复合脉冲（CCCPs）。CCCP同时补偿两种类型的系统误差，这对于NMR中的已知复合脉冲是不可能的。我们的实验表明，CCCP不仅在QIP中，而且在NMR中是强大的和通用的工具。
2020-01-09 cond-mat.other physics.chem-ph physics.ins-det
Multidimensional spectroscopy of nuclear spin clusters in diamond
本研究针对近表面自旋缺陷用于分子结构NMR分析时核环境表征不足的问题，结合多维光谱学与单核自旋进动弱测量，提出傅里叶光谱技术，实现室温下浅氮-空位中心$^{13}\text{C}$核自旋环境的精确定位与光谱编辑，为单自旋探针的分子结构分析提供新工具。
2024-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Solution nuclear magnetic resonance spectroscopy on a nanostructured diamond chip
我们证明了核磁共振（NMR）光谱的皮升体积的解决方案与纳米结构的金刚石芯片。使用光学干涉光刻技术，金刚石表面被纳米结构化，具有致密、高纵横比的纳米光栅，使芯片的表面积在mm^2区域内增加了15倍以上。纳米光栅的侧壁掺杂有氮空位（NV）中心，使得在一个（25微米）^2激光光斑中有超过1000万个NV中心位于足够靠近金刚石表面（5 nm）的位置，以检测位于相邻纳米光栅凹槽内的1 pL流体的NMR光谱。该平台用于在室温下在低于50 mT的磁场中进行1H和19 F NMR光谱。使用CsF的甘油溶液，我们证明了在1 pL体积中可以检测到4 +/- 2 x 10^12 19 F自旋，其信噪比为1 s积分中的3。这代表了浓度灵敏度比以前的NV和皮升NMR研究提高了近两个数量级。
2017-01-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.ins-det
Zero- to ultralow-field nuclear magnetic resonance and its applications
作为常规高场NMR的补充分析工具，零至超低场（ZULF）NMR检测亚微特斯拉范围内的核磁信号。无自旋交换弛豫（SERF）原子磁力计为ZULF NMR提供了新一代灵敏的探测器。ZULF核磁共振以其低成本、高分辨率和可移植性等特点，在化学、生物、医学和基础物理测试等领域引起了广泛的关注。本文介绍了ZULF NMR的基本原理、方法、实验和理论的最新进展，以及它在光谱学、量子控制、成像、基于NMR的量子器件和基础物理测试等方面的应用。最后对ZULF核磁共振的发展前景进行了展望。
2020-11-30 physics.app-ph quant-ph
A smoothing monotonic convergent optimal control algorithm for NMR pulse sequence design
在过去的十年中，人们对在相干量子可控系统中使用基于最优控制的方法越来越感兴趣。这种方法的多功能性已经在核磁共振（NMR）中以特别优雅的方式被证明，其中相干和耗散自旋动力学过程之间的自然分离使得能够在长时间内进行相干量子控制，以将实验塑造成几乎理想地采用自旋系统和外部操纵。这导致了新的设计原则，以及强大的新的实验方法，在磁共振成像，液态和固态NMR光谱。为了使这种发展继续下去并扩大，至关重要的是要不断改进底层的数值算法，以提供与当前仪器上的实现最佳兼容的数值解，同时数值稳定并提供快速单调收敛到目标。针对这些目标，我们在这里提出了一个平滑单调收敛算法的磁共振脉冲序列设计，提高优化稳定性，导致平滑脉冲序列更容易实现实验和潜在的理解内的分析框架现代NMR光谱。
2010-02-08 math.OC physics.chem-ph quant-ph
Antisymmetric Couplings Enable Direct Observation of Chirality in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
在这里，我们证明了一个长期的核自旋哈密顿量，反对称\textit{J}耦合，从根本上连接到分子的手征性。我们提出并模拟了一个核磁共振（NMR）实验来观察这种相互作用，并区分对映异构体，而无需添加任何额外的手性试剂的样品。在存在分子取向的情况下，可以通过外部电场观察到反对称的\textit{J}耦合。反对称耦合张量和分子电偶极矩的相反宇称产生对映体之间观察到的耦合的符号变化。我们展示了这种符号变化如何影响NMR光谱的相位，并可用于区分对映异构体。
2016-09-01 physics.chem-ph quant-ph
High-Field NMR Characterization and Indirect $J$-Spectroscopy of a Nuclear Spin Chain [U-$^{13}$C,$^{15}$N]-butyronitrile
Novosibirsk State University（新西伯利亚国立大学）；International Tomography Center SB RAS（俄罗斯科学院西伯利亚分院国际 tomography 中心）；Johannes Gutenberg University Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学）；Helmholtz Institute Mainz（美因茨亥姆霍兹研究所）；Department of Chemistry, University of Miami（迈阿密大学化学系）；Frost Institute for Chemistry and Molecular Science（弗斯特化学与分子科学研究所）
本文通过高场核磁共振与超低场条件结合，研究了[U-13C,15N]-丁腈核自旋链的耦合网络，实现了对J耦合的精确测量与验证。
2026-02-14 physics.chem-ph quant-ph
