编者按

自20世纪初量子力学诞生以来，量子力学的第一次革命直接催生了磁共振技术。磁共振技术能够在物质无损的状态下迅速准确地，并在原子、分子水平上提供物资内部结构和动态信息，是当代最重要的科学技术手段之一，在物理、化学、生物、医学、材料等诸多领域的研究和应用中正在发挥不可替代的重要作用。传统磁共振在 20世纪取得了巨大成就，迄今为止获得多达六次与该技术直接相关的诺贝尔奖。而今，在以量子信息技术为代表的第二次量子革命的浪潮中，磁共振技术也正在突破经典物理极限，开启了一个从经典到量子、从宏观到微观的新范式。

受《物理学报》编辑部委托，我们邀请了国内若干活跃在该领域前沿的专家撰稿，合成以短篇综述为主的专题，较为全面和深入地介绍磁共振技术的最新进展及其跨学科应用。从研究内容上，可大致分为两类: 一是磁共振成像技术在生物医学从微观机制到精准诊疗方面的最新应用。“超高场磁共振成像的现状和展望”深入剖析了超高场磁共振成像的技术前沿与未来发展方向，为提升成像分辨率和临床诊断能力提供了重要启示；“水分子跨细胞膜交换的磁共振测量技术研究进展”聚焦于细胞膜微循环的磁共振成像技术和生物物理建模，为磁共振测量从宏观水平到微观水平提供了一个典型案例；“高分辨率磁共振二维扩散成像技术”介绍了各类高分辨率磁共振扩散成像技术的概念、采集策略与重建方法。二是在量子信息推动下磁共振技术从极限探测到量子操控的发展和创新应用。包括：“高压下的色心磁共振和量子传感”聚焦高压极端条件下金刚石氮-空位色心的磁共振研究，其室温量子传感技术为纳米级磁场成像和单分子检测开辟可能；“固体核磁共振量子控制及其应用”介绍了固态核磁共振体系中量子操控的基本理论和在量子控制技术、退相干抑制以及量子模拟等方面的前沿成果；“基于强相互作用核自旋系统的量子传感”首次基于强相互作用的核自旋系统，实现了三维矢量磁场的精密测量器，为开发超高精度的新型量子传感器开辟了全新的技术路径；“真空封装含 Herriott多反射腔原子气室及其在原子磁力仪中的应用”，研究了用于精密测量的原子器件中含多反射腔原子气室的标准化制备方法，以及可拓展的应用; “近零场磁共振与超极化技术”综述该领域的前沿研究进展。

这些文章不仅反映了磁共振在理论与技术上的突破，也凸显了其在生物医学诊断、量子计算与传感等前沿交叉领域的深远影响。我们希望本专题能为学术界和产业界提供启发，助力磁共振技术迈向更广阔的未来。

客座编辑

叶朝辉，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员、博士生导师，中国科学院院士。1965年毕业于北京大学无线电电子学系。曾任中国科学院武汉物理与数学所副所长、所长，波谱与原子分子物理国家重点实验室主任，中国科学院武汉分院院长。曾任国家重点基础研究计划（973计划）专家顾问组成员，科技部重大科学研究计划“量子调控研究”专家组成员等。中国科学院“基于原子的精密测量物理”先导专项（B）首席科学家。主要从事波谱学与量子电子学的研究，在磁共振波谱学的理论和实验方面做过系列探索，近年来致力于磁共振与生命科学的交叉研究。

彭新华，中国科学技术大学教授、博士生导师，未来技术学院副院长。2003年于中国科学院武汉物理与数学研究所获得博士学位，同年获德国洪堡基金在多特蒙德大学从事合作研究。曾获国家杰出青年科学基金、科学探索奖、国家高层次人才特殊支持计划、中国青年女科学家奖、安徽省科学技术一等奖（1/3）、教育部自然科学奖一等奖（2/5）等荣誉。主要从事基于自旋的量子信息处理研究，在量子控制、量子算法和模拟以及量子精密测量等领域取得了系列的创新性成果。迄今为止，在Nat. Phys. 、Sci. Adv.、PNAS 、PRX/PRL等期刊上发表SCI论文130余篇。

高家红，北京大学讲席教授，北大医学物理和工程北京市重点实验室主任，北大磁共振成像研究中心主任，北大麦戈文脑科学研究所研究员。1991年获得美国耶鲁大学博士学位，1991—1993年美国麻省理工学院博士后，2012年全职回国前担任美国芝加哥大学医学物理和神经科学教授及脑成像研究中心主任。长期从事fMRI和MEG等脑成像前沿技术研发及其在脑科学和临床医学领域的应用工作，在包括Science, Nature，Nature Neuroscience 和PNAS等在内的期刊上发表了260余篇学术论文。曾担任国际人类脑图谱学会（OHBM）主席和海外华人医学磁共振成像学会主席，现担任中国认知学会脑成像分会主席。

专题文章

编者按: 磁共振技术——架起生物医学与量子信息的创新桥梁

物理学报.2025, 74 (7): 070101

doi: 10.7498/aps.74.070101

研究论文

基于强相互作用核自旋系统的量子传感

李庆，季云兰，刘然，SuterDieter，江敏，彭新华

物理学报.2025, 74 (11): 117401

doi: 10.7498/aps.74.20250271

摘要：相互作用量子系统在精密测量领域正受到广泛的关注，尤其是量子关联态的实现以及相互作用系统的动力学研究，为量子资源提供了全新的研究方向，推动了基于相互作用系统的传感技术的深入探索。然而，现有研究主要局限于单一物理量的测量，如何利用相互作用系统实现多物理量的精密测量仍亟待实验验证。本研究基于超低场条件下强相互作用核自旋系统，并结合高灵敏的原子磁力计实现信号读出，成功实现了三维矢量磁场的精密测量，测量精度达到10^–11 T，方向分辨率高达0.2 rad。有效克服了传统方法中因外部参考场引入的校准误差和技术噪声的限制。通过实验上的优化，基于相互作用的传感器在测量精度上实现了5个数量级的提升，为开发超高精度的新型量子传感器开辟了全新的技术路径。

真空封装含Herriott多反射腔原子气室及其在原子磁力仪中的应用

谢子平，郝传鹏，盛东

物理学报.2025, 74 (11): 110702

doi: 10.7498/aps.74.20250220

摘要：本文主要研究用于精密测量的含多反射腔原子气室的标准化制备方法: 一方面将Herriott多反射腔技术和阳极键合技术相结合，另一方面在全真空条件下密封含多反射腔原子气室。这样制备出的新型气室可以广泛应用于原子器件中，在提升测量灵敏度的同时，提高器件的标准化程度。本文介绍这种原子气室的制备方法的同时，还通过气室在磁光双共振碱金属原子磁力仪中的应用展示其工作潜能。该示范展示了利用含22次反射的多反射腔，充有400 Torr (1 Torr = 1.33×10² Pa) 氮气和自然丰度铷原子气室获得的磁共振信号，并以此信号为基础在10—20 Hz的频率区间测得了95 fT/Hz^1/2的磁场灵敏度。之后，我们将把基于这种技术制作的气室拓展到对气室质量要求较高的氦原子磁力仪和核自旋原子共磁力仪中。

高压下的色心磁共振和量子传感

刘刚钦

物理学报.2025, 74 (11): 117601

doi: 10.7498/aps.74.20250224

摘要：高压极端条件是实现和调控新奇物态的重要途径，磁共振技术是材料微观磁结构和磁性表征的重要方法，两者的融合为物质科学前沿研究提供了新的机遇。然而，传统磁共振技术受限于自旋极化度低、信号探测效率差等因素，难以实现超高压极端条件下微米级小样品的原位测量。近年来，以金刚石氮空位中心为代表的色心量子传感迅速发展，为高压极端条件下的磁共振和原位量子传感提供了全新解决方案。本文总结了高压极端条件对金刚石氮空位中心自旋和光学性质的影响，梳理了高压下色心磁共振的基本现象和规律。同时，以高压下微区磁成像、压强探测、超导迈斯纳效应测量等应用为例，本文还介绍了高压下色心量子传感的近期研究进展。

高分辨率磁共振二维扩散成像技术综述

刘凡，蒋渊丞，郭华

物理学报.2025, 74 (11): 118703

doi: 10.7498/aps.74.20250235

摘要：磁共振扩散加权成像(DWI)在神经科学和临床疾病诊断中具有重要价值。单次激发平面回波成像(ss-EPI)是DWI最常用的技术，但受主磁场不均匀性和T₂/T^*₂衰减的影响，易出现几何变形、信噪比低等问题。为解决这些问题，研究者开发了更先进的高分辨率磁共振扩散成像技术。本文对这些成像技术进行综述。平面回波成像(EPI)方面，本文介绍了读出分段EPI、交错采集EPI、点扩散函数编码EPI、EPTI等多次激发EPI DWI技术，这些技术能够减小或消除几何变形、提高图像信噪比和分辨率。此外，多次激发EPI与多层同时激发技术(SMS)的结合能够缩短采集时间，本文对此类技术进行简要介绍。相较于EPI，螺旋 (spiral)成像的信噪比和采样效率更高，但对主磁场不均匀性更敏感。在螺旋成像部分，本文分别介绍了单次激发以及多次激发的spiral DWI成像，以及二者与SMS技术的结合。本文重点介绍了各类成像技术的原理、采集策略与重建方法。最后，本文阐述了高分辨率扩散成像的挑战和未来方向，包括三维DWI、体部DWI、磁场探针、超强梯度磁共振系统以及超高场磁共振系统。