量子力学主要描述物质在微观世界中的规律,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。自量子力学诞生以来,人们逐渐认识到定量地描述量子系统是很困难的,尤其是当系统很大的时候。这是因为经典的计算机在模拟量子系统的时候需要的资源是随系统维度指数增长的。为了克服这一困难,需要建造一台基于量子力学原理运行的机器,即量子模拟机。然而对于实际的物理系统,其量子特性十分脆弱,极易受到环境噪声的破坏,要实现精确的控制并不容易。为此,世界上很多顶尖的研究组和科技公司都投入了大量的人力物力,使得量子模拟成为目前国际上最热门的研究领域之一,这也是本论文要探讨的领域。可以实现量子模拟的物理体系也多种多样,其中金刚石固态自旋体系因其易操控、易读出和室温下优异的相干特性,成为实现量子模拟最重要的候选体系之一。近年来,针对金刚石中氮-空位(Nitrogen-Vacancy,NV)色心的量子调控研究不断涌现,已经实现了达到容错阈值的普适量子逻辑门和量子纠错,这为基于NV色心的量子模拟铺平了道路。在本论文中,我们搭建了基于NV色心的光探测磁共振平台,并开展了一系列量子模拟相关的研究工作。分为三个阶段:1.通过对NV电子自旋和临近核自旋的精确量子操控,实现了一种数字量子模拟,模拟了一种广义反事实计算。反事实计算之前已经在光学体系实现过,但是其计算效率在理论上受限,劣于随机猜测。我们利用NV体系模拟了一种新方案,并首次实现了超过经典极限的效率。2.通过对NV电子-核两比特系统哈密顿量的精细调节,实现了一种类比量子模拟,模拟了一种拓扑系统,并观察到了拓扑相变。该方法的精髓在于通过外加微波和射频场,我们实现了对于两比特系统哈密顿量的任意调节,使其与待研究的拓扑系统哈密顿量类似,通过改变调节参数可以直接预测拓扑系统在不同相参数下的行为。3.研究了一种利用金刚石体外自旋实现大规模量子模拟的方案,并在实验上进行了初步的探索。该方案的核心在于利用体外自旋相对简单的制备工艺,以其为量子模拟的主体,以NV色心为状态初始化和读出的探针。作为初期的验证性工作,我们实现了 NV色心和体外单电子自旋的耦合,进一步针对多电子自旋探测提出了新的零场顺磁共振方法,并进行了实验验证。