核磁共振是当代科学中最为重要的物质探索技术之一,自上世纪四十年代首次发现核磁共振现象以来,与其相关的科学技术迄今在生物、物理、化学和医学等领域已获得了五次诺贝尔奖,其应用也已广泛深入到前沿科学和社会生活的各个领域,比如核磁共振医学成像等。然而,如何获得高灵敏度以及高分辨率磁共振谱学一直都是磁共振领域的挑战性难题。量子技术的发展为核磁共振研究提供了新方法,特别是,高灵敏度原子磁力计为核磁共振提供了变革性探测手段,将传统核磁共振的磁场范围推进到超低场区域,完全消除了对昂贵超导磁体的依赖性,兼具经济、便携、极高的磁场均匀性等优点。本学位论文选用超低场核磁共振为研究主题,自主搭建了基于高灵敏度原子磁力计的超低场核磁共振平台,并在此平台上开展了量子精密测量、量子控制、高分辨谱学等方面的系统研究,具体包括以下内容:·自主搭建了以新型量子传感器—原子磁力计作为探测手段的超低场核磁共振平台,实现了 10 fT/Hz1/2磁场探测灵敏度。为进一步克服共模磁噪声的干扰,设计并实现了原子梯度磁力计,通过两通道信号的梯度探测,实现了约7 fT/Hz1/2的磁场探测灵敏度,处于国际超低场核磁共振领先水平,极大提高了超低场核磁共振的信噪比,为未来开展无屏蔽核磁共振提供了技术基础。·在自主搭建的平台上研究了一系列化学样品的超低场核磁共振谱,发现其独特的不同于高场核磁共振的新的谱学特征,包括零量子相干谱的直接测量,依赖于磁场方向的谱线数以及非对称谱线等。这些新的特征提供了与高场核磁共振互补的信息,可用于对物质结构分析。基于此,提出并实验实现了基于核自旋的矢量传感器。·在自主搭建的平台上首次实现了零磁场核磁共振的普适量子控制及其基准测试,利用组合脉冲实现了核自旋的单比特门和多比特门,解决了零磁场下无法使用选择性脉冲进行操控并实现普适量子控制的难题;对量子控制的质量进行了评估,分别获得单比特门和多比特门的保真度为0.9960和0.9877。超低场核磁共振结合量子控制技术,有望在基础物理、医学及化学领域具有重要应用。·自主搭建了超极化惰性气体氙的实验平台,利用氙气体与被光极化的碱金属原子之间的自旋交换碰撞,氙气体的极化度达到3 0%左右;提出并实现了新型弗洛凯态微波激射器,获得0.3 mHz的谱线分辨率,并且提出利用该微波激射器来搜寻超越标准模型(类)轴子的方案。