由于量子并行计算的巨大潜力以及量子通讯原则上的绝对安全性，量子信息处理近年来吸引了全世界的广泛关注。作为固态自旋系统，金刚石中的氮空位中心是量子信息处理最有希望的候选载体之一。氮空位中心电子自旋可以通过光学脉冲初始化，并且可以被高保真度地光学读出。微波脉冲被用于对氮空位中心自旋进行相干操控。借助与近邻核自旋的超精细作用，可以构成多量子比特系统。利用氮空位中心自旋系统，实现了很多在量子信息处理、量子探测、量子度量等应用领域的重要工作。在本文中，我们研究了氮空位中心自旋的相干性质，对量子操控过程进行了改进，并展示了利用氮空位中心进行量子信息处理的一项具体应用。　　当不同量子比特间存在不必要的相互作用时，高保真度量子操控会面临挑战。为了应对这一问题，我们引入了一种新的脉冲技术，即REBURP形状化脉冲。它可以在预设的频率范围内具有几乎相同的激发效果，并且频带边沿很陡直。范围以外的非共振激发可以被很好地抑制，使得REBURP脉冲具有边带选择性。我们通过频率扫描实验验证了这些自旋响应特性。由中心14N核自旋造成的三个超精细跃迁可以被REBURP脉冲同时精确操控，而其他跃迁可以保持不受影响。利用REBURP脉冲可以将量子操控保真度提高一倍以上，这一技术可以用于量子信息处理、量子度量等各种应用中。　　氮空位中心集群样品可以用于复合量子比特系统，量子探测与成像等，我们对其相干性质进行了研究。之前人们普遍认为在Ⅱa型金刚石样品中氮空位中心电子自旋的退相干由13C核自旋环境所主导，我们样品的自旋回波信号与此吻合。并且一般情况下13C核自旋与P1中心自旋环境的热涨落都可以被自旋回波码型消除，使得该样品的相干时间T2可以达到400μs。但是在某些磁场下T2时间却会因为P1中心与氮空位中心共振而衰减到只有140μs。此时P1中心会与氮空位中心同时被自旋回波码型中的π脉冲反转，导致了P1中心自旋环境的涨落不再能被抑制。我们进一步实施了改造过的自旋回波码型，用以验证这一机理并评估P1中心自旋环境的贡献。对这一两种不同自旋环境之间可控竞争的发现将帮助我们进一步认识氮空位中心自旋的退相干机制。　　氮空位中心的应用需要依赖于自旋的相干性。本文中提出了一种利用选择性脉冲的相干性集聚增强方案，并在氮空位中心集群样品中通过实验评估了其效果。利用弱选择性脉冲的窄带激发可以抑制氮空位中心周围13C自旋环境的非均匀展宽。但在窄带激发过程中，信号幅度衰减也很严重。我们发挥氮空位中心集群样品的优势来增强实验信号，并且选择性脉冲可以进一步地消除不同氮空位中心之间的非均匀展宽效应。氮空位中心电子自旋的三能级结构以及踢出(Kickout)脉冲被用来使方案更加实用。我们获得了几十倍的退相干时间T2*延长，这一延长效果与选择性脉冲的长度正相关。这一相干性集聚增强方案提供了获得更长相干时间的新途径，也将有利于自旋集群样品的应用，比如量子信息处理、量子度量等。　　量子密钥分配对于量子保密通讯非常重要，其物理基础是不可克隆原理。相位克隆机可以被用于攻击BB84量子密钥分配方案。我们在室温下纳米金刚石中实施了一项全相位可控的优化量子相位克隆机。这一优化相位克隆机对于位于布洛赫球赤道上的BB84态表现很好。实验中量子态的相位实现了全面控制，并且可以被准确测量，并且实验结果都与理论预期值吻合得很好。量子克隆机的平均相位保真度达到85.1％，很接近理论值85.4，超过了通用量子克隆机的保真度上限83.3％。对量子克隆的高保真度展示将有助于量子密钥分配方案安全性的分析。量子相位的精确控制与测量也将有利于量子信息处理中相位可控器件的进一步应用。　　综上所述，我们进行了一系列金刚石中氮空位中心自旋相干性质与量子操控的研究。这些研究结果将有助于氮空位中心的广泛应用，例如在利用复合量子比特实现可扩展量子计算，量子度量学，量子探测与成像等。