近日，中科大微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室杜江峰院士、石發(fā)展教授等與愛(ài)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(gè)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)分子結構的解析是化學(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(wú)損，生理條件甚至原位探測等優(yōu)勢，廣泛應用于結構生物學(xué)和臨床醫學(xué)。傳統的核磁共振技術(shù)受限于信號收集方法，僅能測量數十億以上分子系綜產(chǎn)生的集體信號。近年來(lái)，以金剛石氮-空位色心為磁傳感器，實(shí)現了納米磁共振譜學(xué)。

       中科大微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)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(shí)驗平臺上，首次以一對耦合的碳-13核自旋為探測對象，實(shí)現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(guān)核磁信號極弱，在納米尺度二維核磁共振譜測量的實(shí)驗中，為了獲得較高的信噪比，往往需要消耗很長(cháng)的時(shí)間（數小時(shí)到天）來(lái)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用于二維核磁共振譜的數據處理與分析，通過(guò)模型數據訓練深度學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，并結合矩陣填充的方法，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，也是單分子結構解析的基礎。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，能夠應用于納米尺度下單分子的結構解析。

       南京大學(xué)孔熙副教授、美國愛(ài)荷華大學(xué)周磊鑫博士和中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)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)習算法之后，可以從少量的信息中提取復雜的納米核磁譜線(xiàn)信息，從而大大提高實(shí)驗測量效率。(b) 深度學(xué)習結合矩陣填充算法在保持重構能力的同時(shí)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(shí)現納米核磁共振，開(kāi)展納米尺度二維核磁共振譜測量等相關(guān)實(shí)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(shí)驗平臺，通過(guò)控制光、電、磁等基本物理量，實(shí)現對鉆石中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(cháng)，量子操控能力強大，量子塌縮測量實(shí)驗結果直觀(guān)等*優(yōu)勢。

       量子鉆石單自旋譜儀在譜學(xué)分析和結構解析等應用中具有獨到優(yōu)勢，可實(shí)現單蛋白等單分子電子順磁共振，納米尺度核磁共振，活體細胞溫度、磁場(chǎng)、動(dòng)作電位探測等。