用于超极化的量子方法与流程

本公开涉及一种自旋超极化的方法。

背景技术：

1、核磁共振（nmr）和磁共振成像（mri）是用于研究分子和材料的结构和动力学以及生命系统的功能和新陈代谢的强大技术。

2、nmr和mri的灵敏度和分辨率受相应过程所使用的核自旋的低极化限制。极化与热平衡处的磁场强度和玻尔兹曼因子成比例。

3、已经开发各种方法以增加核自旋的极化，诸如动态核极化（dnp）、仲氢诱导极化（phip）和光泵浦。这些方法依赖于将极化从外部源（诸如，电子、氢分子或光子）转移到核自旋，且可以实现若干量级的信号增强。

4、这些上面提及的方法可能缺陷在于：它们具有有限的可实现极化或可能要求不期望的量的时间、操作或能量以实现超出极化源的极化。相应地，存在针对利用量子操作以克服现有方法的限制的新方法的需要。

技术实现思路

1、本公开提供了用于增加用于在例如nmr和mri系统中的成像中使用的目标元素的极化的方法。本公开包括量子操作，在至少一些示例实施例中，该量子操作被实现在例如量子电路或脉冲序列中或者经由针对具有三个元素的系统（可替换地，被称作三（3）自旋系统）的最优控制理论而实现。所公开的方法涉及例如将一系列电磁脉冲应用于磁场中的包含若干自旋的样本以及使用量子电路以操控自旋状态。

2、所公开的方法可以使nmr和mri信号增强若干量级，并使得能够检测和表征各种分子和生物过程。

3、所公开的方法可以改进现有技术中的权衡特性。例如，所公开的方法可以得到更快速实现，且然而实现高极化（与极化源相比）或可以减少实现可比较或稍微较低量的极化所需的能量的量或操作的数目。所公开的方法还可以在它可以生成与用于增加系统（例如，dnp）中的极化的某些现有技术相比更大的极化的意义上得到所谓的“超极化”。

1.一种用于管理系统的方法，所述系统包括具有目标元素的目标系统，所述目标元素具有目标系统能级，所述系统包括具有辅助元素的辅助系统，所述辅助元素具有辅助系统能级，所述系统包括具有重置元素的重置系统，所述重置元素具有重置系统能级，所述系统具有系统能级集合，所述系统能级集合包括所述目标系统能级、所述辅助能级和所述重置系统能级的组合，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其中所述目标系统能级、所述辅助能级和所述重置系统能级中的每一个是二元的。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个操作生成所述系统能级的状态置换，使得：

4.如权利要求3所述的方法，其中所述一个或多个操作生成所述系统能级的状态置换，使得第一系统能量状态000、001、010被移动到具有所述较低能量状态中的目标元素的第二系统能量状态。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述一个或多个操作生成所述系统能级的状态置换，使得第一系统能量状态111、101和110被移动到具有所述较高能量状态中的目标元素的第二系统能量状态。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述一个或多个操作生成所述系统能级的状态置换，使得发生以下各项中的至少一个：

7.如权利要求4或5中任一项所述的方法，其中所述一个或多个操作生成所述系统能级的状态置换，使得发生以下各项中的至少一个：

8.如权利要求2所述的方法，其中所述一个或多个操作生成所述系统能级的状态置换，使得发生以下置换：

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括一个或多个替代操作，或者其中所述一个或多个操作影响所述辅助元素和所述重置元素而不影响所述目标元素的极化。

10.如权利要求1所述的方法，其中每个目标元素是自旋。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个操作包括应用电磁脉冲。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述目标元素、所述辅助元素和所述重置元素中的一个或多个被完全或部分地预极化。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述预极化是通过磁共振超极化技术实现的。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述磁共振超极化技术是以下各项之一：动态核极化、通过极化转移进行的无失真增强、通过极化转移进行的不敏感核增强和通过可逆交换进行的信号放大。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述目标元素是以下各项之一：1h、13c 和15n。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述系统是磁共振成像系统或核磁共振系统。

17.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个操作将处于所述较低能量状态中且具有低概率的目标系统能级的实例与具有所述较高能量状态中的目标元素且具有高概率的目标系统能级的实例进行交换。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个操作被表达为量子电路。

19.一种量子电路，包括被配置成执行如权利要求1-16中任一项所述的方法的一个或多个门。

20.一种计算机可读介质，包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使计算设备执行如权利要求1-16中任一项所述的方法。