量子计算和量子信息是一个激动人心的领域。这不仅是由于其在诸多数学问题上有着巨大的潜在计算能力，而且从本质上讲，这是人们对于量子力学这一最基本物理定律的究极探索。量子系统极易受到环境的影响，哪怕是最微弱的噪音，都有可能对系统造成致命的影响。要实现实用的通用量子计算机更是非常困难。人们在多个不同的量子体系进行了大量有益的尝试，其中超导量子比特和负电荷金刚石氮空位（negative charged Nitrogen-Vacancy，NV-）缺陷中心是颇受关注的两个领域。本文是对我博士期间在这两个领域的工作的一个总结，主要包含以下两个部分:　　第一部分是超导磁通量子比特与NV-中心混合量子比特系统方面的工作。超导量子比特与NV-中心有着不同的优势。超导量子比特与传统集成电路非常相似，它的制备，操控与测量都相对比较容易，并且极具规模化的潜力，但是退相干时间相对较短。NV-中心拥有较长的退相干时间，并且同时拥有光学和微波波段的能级，但是可控耦合与规模化方面相对较弱。那么我们是否有可能结合两种体系各自优点呢？我们尝试组建一种混合量子比特系统。　　首先我们设计并制备了不同环流大小的超导磁通量子比特。在环流为526nA的磁通量子比特上，我们观察到了1.47μs的退相干时间T1。在环流为1.28μA的磁通量子比特上，退相干时间T1达到了100ns。　　在这个基础上，我们期望实现磁通量子比特与NV-中心系综的强耦合，我们假定需要的耦合强度为10MHz。通过理论分析与数值计算的方法，我们估算出实现强耦合所需要的NV-中心的浓度约为1016cm-3的浓度。我们利用离子注入和电子辐照等多种方法制备符合浓度要求的NV-系综样品。最后在Ⅱa型金刚石样品（约含1ppm初始氮杂质浓度）上通过电子束辐照注入得到了浓度为1.05×1016cm-3的NV-系综，在Ⅰb型金刚石样品（约含200ppm初始氮杂质浓度）上通过电子束辐照得到了浓度为1.70×1017cm-3的NV-系综。　　另外，我们利用一个日本NTT的研究组提供的高浓度NV-样品与我们自制的高环流磁通量子比特耦合。通过测量真空拉比振荡，测得耦合强度为56.5MHz。真空拉比的衰减时间为12.9ns，结合磁通量子比特的退相干施加，可推测出该NV-样品的非均匀性展宽约为10.8MHz。　　我们还在金刚石上进行了一些微加工的尝试，为将来超导量子比特和NV-中心混合系统的精细操控做了一些前期性的摸索。　　在第二部分，通过与浙江大学王浩华小组合作，我们演示了利用超导量子多比特系统实现线性方程组的量子求解算法。线性方程组的求解在许多工程和科学领域都有着广泛的应用。传统的求解算法至少需要正比于变量数N的求解时间。是否有可能利用量子计算机加速求解的过程不仅是一个非常有趣的问题，而且具有非常重要的实际意义。Harrow等人提出一个算法，对于变量数为N的稀疏矩阵，量子计算机可以在loy log(N)的时间内完成求解。尽管该算法只在稀疏矩阵的情况下具有优势，但是已经足解决许多实际的应用问题。这里我们尝试演示一个该算法的简化版本—使用四个超导量子比特求解2×2的线性方程组。实验的第一步是制备四个超导量子比特样品。这里我们采用邻近耦合的Xmon设计方案。第二步，我们测量了几个比特的基本性质，包括退相干和耦合强度。第三步我们需要将算法分解为基本的门操作序列并根据第二步的测量结果安排各个比特的工作点和操作脉冲。最后一步是检验求解结果。这一步需要实现两比特的关联测量，根据其中一个比特的测量结果来决定是否采纳另一个比特的测量结果。我们总共测量了18个输入态的求解结果，结果的保真度在84％～92％之间。我们利用这18个态的输出结果对我们的整个算法进行量子过程层析重构。根据重构的结果，整个算法的保真度为83.7％。