基于超导磁通量子比特的核磁共振波谱学

我们从理论上分析了使用超导磁通量子比特（FQ）的核磁共振（NMR）波谱学性能。这种基于 FQ 的 NMR 颇具吸引力，因为它有可能探测局部区域（$\sim\mu$m）内相对较少的核自旋，且在低温（$\sim$ mK）和低磁场（$\sim$ mT）下实现，而其他类型的量子传感方案难以轻易触及这些条件。含有核自旋的样品直接贴附于 FQ 上，FQ 用作磁强计以探测来自核自旋的磁场。特别地，我们考虑了两种基于 FQ 实现 NMR 的方法。其一是利用核自旋的空间非均匀激发，该激发由射频（RF）脉冲的空间非对称驱动所诱导。这种非均匀性导致穿透 FQ 环路的直流磁通发生变化，可通过 FQ 上的标准 Ramsey 测量检测。另一方法是利用 FQ 上的动力学解耦来测量由核自旋的拉莫尔进动引起的交流磁场。此情况下，既不需要自旋激发也不需要自旋极化，因为信号来自核自旋的涨落磁场。我们计算了在实验可行参数下 FQ 可探测的核自旋最小密度（数量）。我们表明，采用这些方法的核自旋最小可探测密度（数量）约为 $10^{21}$ /cm$^3$ ($10^8$)，累积时间为一秒。