NV色心探測(cè)器助力實(shí)現(xiàn)人工智能算法加速二維納米核磁共振譜的探測(cè)

       近日，中科大微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(duì)基于金剛石量子精密測(cè)量技術(shù)的納米核磁共振二維譜進(jìn)行加速，將探測(cè)效率提高近一個(gè)量級(jí)。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?xiàng)l件甚至原位探測(cè)等優(yōu)勢(shì)，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(hào)收集方法，僅能測(cè)量數(shù)十億以上分子系綜產(chǎn)生的集體信號(hào)。近年來，以金剛石氮-空位色心為磁傳感器，實(shí)現(xiàn)了納米磁共振譜學(xué)。

       中科大微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在基于NV色心的納米核磁共振方向，在光探測(cè)磁共振（ODMR）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，首次以一對(duì)耦合的碳-13核自旋為探測(cè)對(duì)象，實(shí)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(hào)極弱，在納米尺度二維核磁共振譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，為了獲得較高的信噪比，往往需要消耗很長(zhǎng)的時(shí)間（數(shù)小時(shí)到天）來累積信號(hào)。為了提升探測(cè)效率，杜江峰領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)可以去除掉偏倚。

       國儀量子基于光探測(cè)磁共振（ODMR）技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)量子鉆石單自旋譜儀，運(yùn)用基于NV色心的量子精密測(cè)量技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)納米核磁共振，開展納米尺度二維核磁共振譜測(cè)量等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作。該譜儀是國際*商用的光探測(cè)磁共振譜儀，性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)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(tái)基于氮-空位（NV色心）的以自旋磁共振為原理的量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過控制光、電、磁等基本物理量，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間長(zhǎng)，量子操控能力強(qiáng)大，量子塌縮測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等*優(yōu)勢(shì)。

       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(dú)到優(yōu)勢(shì)，可實(shí)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(chǎng)、動(dòng)作電位探測(cè)等。