随着信息学发展，近年来大数据，人工智能等研究的深入，对信息处理速度的要求变得越来越高，人们意识到使用经典算法的经典计算机终会达到它的极限。要解决计算资源不足的问题，人们开始寻找新算法和新的计算机体系，其中量子计算在诸多研究方向中是非常有前景的一支。基于量子力学原理的量子算法包括因数分解、搜索算法等在密码学及优化问题上有着非常重要的应用价值。量子计算的研究也促进了量子模拟、量子传感和量子通信等领域的蓬勃发展　　多量子比特的探测与操控是量子计算，量子模拟和量子传感共同的核心问题。针对不同的物理体系，需要发展对应的多量子比特操控策略。金刚石氮空位中心体系是一个室温下的固态自旋量子体系，具备超长的相干时间、便捷的光学读出以及微波操控，是发展室温固态量子计算的优秀载体。并且氮空位中心周围随机分布的自然丰度的13C核自旋也可作为量子比特，为量子系统的扩展提供了可能性。　　本文以金刚石氮空位中心电子自旋以及其周围的13C核自旋构成多比特系统，并针对该系统进行了多比特量子操控的实验研究。由于多比特实验系统中，核自旋的操控速度一般较慢，对样品的荧光收集效率，微波操控效率以及电子的相干时间提出了更高的要求。我们优化了实验样品的制备技术，通过对氮空位中心的精确定位以及对离子束刻蚀系统控制方法的改进，大大提高了制备固态浸没透镜的效率及效果。在微波控制方面，通过Ω形共面波导天线的制备，在很大程度上提高了微波操控效率。　　接下来，我们通过动力学解耦技术，对氮空位中心多比特体系中的核自旋分布进行了探测，并对其中核自旋与电子自旋的耦合参数进行了测量，发现了多个耦合强度在kHz量级的13C核自旋。这也就意味着，我们可以借助电子自旋，对大量的弱耦合核自旋进行操控，为可拓展量子计算提供了新的思路。　　氮空位中心电子与核构成的多比特系统中，虽然电子可以通过激光脉冲非常方便地读出，但核自旋由于多数情况下与电子的耦合较弱，很难做到单次读出。我们创造性地利用了动力学解耦序列，结合弱测量的理论，对电子附近的一个弱耦合核自旋进行了单次读出。这种单次读出的方法不仅是对弱耦合核自旋具有普适性，而且对实验中的脉冲操作误差具有很强的鲁棒性。　　最后在氮空位中心电子的三能级体系中，我们演示了对熵不确定性关系的验证。熵不确定性关系是量子力学中不确定性关系的延伸，通过验证多维测量的熵不确定性关系，我们可以得到对量子理论更深入的理解。　　我们对氮空位中心电子及核自旋的多比特实验研究，包括对电子自旋核自旋耦合参数的测量，对核自旋的操控以及对核自旋量子态的单次读出等，为通过核自旋实现可拓展量子计算打下来坚实的基础。