Ingeniører udvikler en vigtig matematisk formel til at drive kvanteeksperimenter

Siden han var kandidatstuderende, Washington University i St. Louis systemingeniør Jr-Shin Li har givet specifik matematisk information til eksperimentelister og klinikere, der har brug for det til at udføre magnetisk resonansapplikationer med høj opløsning, såsom krops-MR'er til medicinsk diagnose eller spektroskopi til afdækning af proteinstrukturer. Nu, efter mere end ti års arbejde, han har udviklet en formel, som forskere kan bruge til selv at generere den information.

Li, Das Family Career Development Distinguished Associate Professor i School of Engineering &Applied Science, og hans samarbejdspartnere har udledt en matematisk formel til at designe bredbåndsimpulssekvenser for at ophidse en population af nukleare spins over et bredt bånd af frekvenser. En sådan bredbåndsexcitation fører til øget signal eller følsomhed i forskellige kvanteeksperimenter på tværs af felter fra proteinspektroskopi til kvanteoptik.

Forskningen, den første til at opdage, at design af pulsen kan udføres analytisk, blev udgivet i Naturkommunikation 5. sept.

"Dette designproblem udføres traditionelt ved ren numerisk optimering, " sagde Li. "Fordi man skal designe et fælles input - et magnetfelt for at ophidse mange, mange partikler – problemet er udfordrende. I mange tilfælde i numerisk optimering, Algoritmerne konvergerer ikke eller tager enorme mængder tid at få en gennemførlig løsning."

I mere end et årti, Li har søgt en bedre måde for pulsdesign ved at bruge ligheden mellem spins og fjedre ved at anvende numeriske eksperimenter. Spin er en form for vinkelmoment båret af elementære partikler. Spin-systemer er ikke-lineære og svære at arbejde med, Li sagde, mens fjedersystemer, eller harmoniske oscillatorer, er lineære og nemmere at arbejde med. Mens han var doktorand ved Harvard University, Li fandt en løsning ved at projicere det ikke-lineære spin-system på det lineære fjedersystem, men var ikke i stand til at bevise det matematisk før for nylig.

"Vi har meget strenge beviser for, at en sådan projektion fra ikke-lineær til lineær er gyldig, og vi har også lavet en masse numeriske simuleringer for at demonstrere opdagelsen, " sagde Li. "Min samarbejdspartner, Steffan Glaser (fra Technische Universität München), har været inden for dette område af NMR-spektroskopi i mere end 20 år, og han er overbevist om, at hvis kvanteimpulserne fungerer godt i computersimuleringer, de kan udføre det samme i eksperimentelle systemer."

Holdet planlægger at udføre forskellige eksperimenter i magnetisk resonans for at verificere den analytiske opfindelse.

Det teoretiske arbejde åbner nye veje for pulssekvensdesign i kvantestyring. Li planlægger at skabe et websted, hvor samarbejdspartnere kan indtaste deres parameterværdier for at generere den pulsformel, de skal bruge i deres kvanteeksperimenter.