近日，我室与理论合作者将量子模拟与传统磁共振探测方法结合，使用量子比特作为探针，成功解决了水分子的能量本征态问题。该方法为量子模拟方法在化学、生物等相关领域的应用提供了新的技术手段。该工作发表于2019年3月的《物理评论快报》上，标题为“Quantum Simulation of Resonant Transitions for Solving the Eigen-problem of an Effective Water Hamiltonian”。[Physical Review Letters 122, 090504 (2019)]
传统磁共振探测技术使用电磁波与待观测样品分子产生相互作用，通过观测共振现象来探知物质分子的结构与组成信息。磁共振技术经过数十年发展，已在医学、生物、化学等领域有着广泛的应用，如医院里常见的核磁共振仪器就是基于磁共振技术。然而，传统磁共振技术在对于分子微观性质的研究上仍有一些限制，如无法精细地了解并操控分子状态。杜江峰院士团队与西安交通大学王鹤峰副教授团队合作，开创了新型的基于量子纠缠的磁共振探测方法。新方法使用量子模拟技术在量子寄存器上模拟样品分子的演化行为，通过量子探针与寄存器之间的量子纠缠，观测到目标分子不同能级状态之间的跃迁现象。该方法不仅可以得到样品分子共振跃迁的能量谱图，还可以进一步通过调控共振跃迁的效率，制备出目标分子的不同能态，可用来对分子性质进行后续研究。
图1注： 磁共振跃迁示意图。量子探针(probe)由高能态向下跃迁释放能量，量子量子寄存器(Register)吸收能量，由参考态E0跃迁到目标分子能量本征态Ej。
中科院微观磁共振重点实验室在量子模拟领域已完成了一系列重要的实验研究，先后实现了静态氢气分子、化学反应动力学、拓扑物理现象等一系列关键问题的量子模拟。此次研究人员将量子模拟的研究着眼于自然界中最常见、最重要的物质-水。研究团队李兆凯等人使用4比特核自旋量子模拟器，以其中1个量子比特作为量子探针，用其他量子比特模拟水分子的演化行为。通过对量子探针的共振跃迁监控，研究人员成功观测到了水分子哈密顿量的能级分布谱【图2】。借助量子模拟器灵活可控的特性，研究人员还成功地调控了不同共振跃迁路线的概率，使量子寄存器跃迁到指定的能量状态上，后续可用于对某个能量状态的深入研究。该实验成果展示了量子模拟在磁共振技术中应用的潜力，为未来对物质结构、组成的研究提供了新的技术手段。
图2注：实验中获取到的水分子低能量段能级分布谱。蓝色为理论预测的四条跃迁峰，红色为实验中观测到的跃迁概率。
中科院微观磁共振重点实验室成员李兆凯、刘小梅为该文并列第一作者。该室杜江峰院士、彭新华教授与西安交通大学王鹤峰副教授为该文共同通讯作者。此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、陕西省及安徽省的资助。
（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）
