兩所合并之前，著名原子物理學家王天眷，著名物理學家張承修，著名空間物理學家李鈞院士，著名數學家李國平院士，著名數學家丁夏畦院士都曾在武漢物理所、武漢數學物理所長期工作并擔任重要職務。

研究所圍繞國家需求和核心科學問題，發揮磁共振波譜及與生命科學交叉、原子分子與光物理、原子頻標與精密測量物理、數學物理等多學科綜合優勢，開展基礎性、戰略性和前瞻性研究，大力推進高新技術創新與轉移轉化，支撐國民經濟和社會可持續發展，成為不可替代的國家戰略科技力量，創建國際一流研究機構。

研究所是波譜與原子分子物理國家重點實驗室、武漢磁共振中心、中科院原子頻標重點實驗室、中國科學院冷原子物理中心(武漢)、中科院數學物理聯合實驗室的依托單位，是武漢光電國家實驗室的組建單位之一。2011年，研究所對原有的研究室建制進行了結構性調整。新設立了6個研究部、1個高技術發展中心和2個支撐中心，即：磁共振基礎研究部、磁共振應用研究部、原子分子光物理研究部、原子頻標研究部、理論與交叉研究部、數學物理與應用研究部;高技術創新與發展中心;磁共振技術中心、原子頻標與激光技術中心。

研究所現有在職職工404人，其中科技人員326人(正高級科技人員50人，副高級科技人員87人，博士生導師45人)。包括中國科學院院士1人、國家杰出青年科學基金獲得者6人、中國科學院“百人計劃”入選者21人，國家“青年千人計劃”入選者1人，美國霍華德·休斯首屆國際青年科學家獎獲得者1人，享受國家政府特殊津貼和院、省有突出貢獻的專家12人。另有1個國家創新群體，2個中科院-國家外專局國際創新團隊。

研究所現有碩士研究生培養點7個，有無線電物理、原子與分子物理、分析化學、應用數學等4個博士點，有物理學和數學2個一級學科博士后流動站。共有在學研究生269人(其中碩士生119人、博士生133人)、在站博士后24人。

1958至今，研究所共取得科研成果近300項，包括國家科技進步一等獎、國家自然科學二等獎、國家技術發明二等獎、國防科技重大成果一等獎、國家星火科技獎以及中科院和省部級自然科學一等獎和科技進步一等獎等，共申請專利175項，獲授權專利130項。創新三期以來，通過不斷凝練目標調整布局，研究所承擔國家重要科技任務能力顯著增強。所內專家領銜主持了一大批包括“973”、科技重大專項在內的國家重點項目，年科研合同經費已達2億元。發表SCI論文每年為160篇左右，其中Science，PNAS，PRL，JACS等JCRTop15高質量論文占總數的35%。科技創新取得重要進展，創造多項國內第一。國內首臺且唯一的光頻原子鐘、國內首臺且唯一的離子微波頻標、國內首臺且唯一的小型化CPT原子鐘等在研究所研制成功。

研究所現有投資參股控股公司共7家，公司凈資產已超過3億元，年銷售收入過億元，年利稅3000多萬元。

由研究所主辦的《數學物理學報》(中、英文版)和《波譜學雜志》均為我國自然科學的核心期刊，《數學物理學報》英文版為最早進入SCI收錄的國內數學期刊之一。

研究所高度重視創新文化建設，開展了“以黨建促科技創新，以科技創新提升文明單位創建水平”為載體的創新文化建設活動，取得了顯著成效。自2000年以來，連續五次(十年)被湖北省委省政府評為“全省最佳文明單位”;2011年，所黨委分別被中國科學院黨組和湖北省委授予“先進基層黨組織”光榮稱號。

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