量子信息科学是量子力学、信息科学等多个学科的新兴交叉学科,其利用具有量子特性的量子体系或复合量子体系实现信息的测量、处理和传输,分别对应量子传感、量子计算和量子通信。近十多年中,人们对量子信息科学进行了大量的研究,并取得了许多重要成果。在可实现量子信息处理的物理体系中,金刚石氮-空位中心电子自旋具有优越的量子相干性,碳纳米管中的量子点具有较好的可扩展性。这些优点使这两种基于碳材料的固态自旋量子体系成为实现量子信息技术的重要物理载体。在本论文中,我们利用这两种基于碳材料的固态自旋量子体系,设计了两种高灵敏度、高空间分辨率的量子传感方案,并利用这两种碳材料的量子自旋复合体系提出了可扩展的固态量子计算方案。本论文的主要内容和创新点可以归纳为:1.我们提出了基于金刚石氮-空位中心电子自旋探针和自由基对的复合扫描隧道显微成像方案。自由基对分子与待探测的目标自旋通过相互作用进行耦合,该耦合会对自由基对的动力学演化产生影响,我们利用氮-空位中心电子自旋探针对其进行测量。自由基对具有亚纳米尺寸,可以起到信号放大的作用,使得该方案有望达到较高的空间分辨率。同时,金刚石中氮-空位中心电子自旋探针具有较高的测量灵敏度。我们的方案结合了这两个方面的优势,为在室温条件下实现对单分子自旋的高空间分辨率磁扫描成像提供了一种新的方法。2.我们提出了基于碳纳米管双量子点谷自旋比特的量子传感方案。通过对碳纳米管中量子点进行连续电驱动,我们的方案可以实现振荡磁场特征谱的测量,并有望实现单分子磁共振谱的测量。单壁碳纳米管具有纳米尺度的直径和相对较大的轨道g因子,这使得该体系有望达到较高的测量灵敏度。同时,碳纳米管中的量子点具有可扩展性,因此该方案有助于在芯片上实现集成化量子传感。3.我们提出了基于金刚石氮-空位中心电子自旋和碳纳米管双量子点的复合量子体系结构,并设计了制备固态自旋量子纠缠稳态以及实现可扩展量子计算的方案。通过对碳纳米管双量子点进行电压调控和对金刚石氮-空位中心电子自旋进行微波驱动,该方案可以实现距离在微米量级的两个金刚石氮-空位中心电子自旋之间的量子纠缠稳态。在此基础上,利用处于量子纠缠稳态的金刚石氮-空位中心电子自旋与氮原子核自旋之间的耦合,我们设计了两个氮-空位中心氮原子核自旋之间的量子纠缠逻辑门。进一步的,我们提出了制备可用于实现普适单向量子计算的多量子比特纠缠簇态的方案,该方案具备较好的可扩展性,为实现基于固态自旋体系的量子计算提供了一种新途径。