磁,作为基本物理量之一,对其精密测量推动了磁学相关领域的坚实发展。各类探测技术都在致力于提升空间分辨率和灵敏度,从霍尔探测器、自旋磁共振到超导量子干涉仪(SQUID)等。近年来,得益于量子技术的发展,金刚石氮-空位(NV)色心体系作为量子信息的载体,能够用来作为磁精密测量的量子传感器。金刚石氮-空位色心是一种固态自旋体系,易于初始化、操控和读出;它不仅在量子计算领域崭露头角,在量子精密测量领域更是显示出巨大的应用前景。基于这一体系,一系列磁共振谱学和成像的突破性进展在实验上已经实现,空间分辨率从亚毫米提升到了亚纳米,分子数从数十亿到了单个,甚至达到了单质子信号强度的磁共振探测。进而带动了微观磁共振在物理、化学、生物等交叉领域应用研究的热潮。本论文正是在此研究背景下选题,发展以氮-空位色心为磁信号量子传感器的纳米磁成像技术,并将其应用于生命科学领域的交叉研究,暨细胞原位的铁蛋白探测。本篇博士论文研究背景部分首先对各类可用于量子精密测量的体系做简要介绍;然后着重讲述金刚石NV色心的基本物理化学性质及其能用于磁信号探测的基本原理;最后则概述了国内外在纳米/单分子磁共振方向的研究进展。论文第二章是本文的主题部分,系统的介绍了我们的谱仪和技术、实验方案和结果等。为对细胞进行成像,采用的是在金刚石探针表面扫描细胞样品的方式,我们首先搭建了原子力显微镜(AFM)-光探测磁共振(ODMR)联合谱仪,此谱仪即能对NV色心进行量子操控又能以纳米步长扫描样品实现成像;接着阐述了成像原理,由于探测对象为细胞原位的顺磁性铁蛋白,当距离足够近时其会导致NV的相干时间和弛豫时间缩短,再配合原子力显微镜的扫描,即可得到铁蛋白在细胞中的分布图像;最后介绍了主要的实验结果及分析讨论,实现了十纳米分辨率的细胞原位铁蛋白成像。论文第三章展示了可以通过结合托勒分解和动力学去耦脉,任意增大和减小环境引起退相干的新方法。该方案利用环境中固有的退相干效应,同时包含数字量子仿真的通用性和模拟量子仿真高效率的优势。这种混合仿真方法,在NV色心的二和三能级体系上进行数值模拟。这里的研究结果表明,这种方案也有实验上的可行性。这样一来,为NV色心以及其他类似体系,模拟实际物理体系铺平了道路,可以很方便地对等效环境噪声类似量子比特的精准模拟,让原本恼人的退相干发挥余热。从上述实验介绍中可以看到,NV色心单自旋的相干时间和弛豫时间对精密测量和量子计算都至关重要,而这两个指标主要由金刚石中的磁噪声决定,我们相关的理论和实验工作都对NV色心的环境噪声进行了相关研究。最后补充介绍了 NV色心单自旋的操控,并对本论文的主要工作进行了简要的总结和展望。