如今正值量子技术日新月异的大发展时期，金刚石氮-空位色心（Nitrogen-Vacancy色心，NV色心）凭借其诸多独特优势，已经逐渐成为量子信息研究领域中最重要的量子器件之一，并且越来越多的高水平研究工作都已经将金刚石NV色心视作核心的量子器件。于是，对金刚石NV色心的理论和实验研究也已经逐渐拓展到超高精度磁力计、纳米传感器、量子存储、量子生物物理和量子模拟等前沿领域。然而，所有这些研究进展的取得都是以金刚石NV色心与其它体系产生相互耦合为研究前提的。对于金刚石NV色心，其耦合方式目前主要分为內禀式耦合和外在式耦合两类，但究其本质都是属于电场耦合或者磁场耦合。众所周知，量子体系间的耦合强度越大，完成量子信息处理或量子模拟所需的时间就越短，在混合量子体系中实现对金刚石NV色心的强耦合一直以来就是一个非常关键的问题。
因此，本论文的研究主要关心以下几个层面的问题：（1）构建什么样的混合量子体系来操控或模拟金刚石NV色心（单个或系综）更有效？（2）利用我们所构建的该混合量子体系能完成什么样的量子模拟或量子操控的任务？（3）在混合量子体系中有没有新的耦合方案能实现对金刚石NV色心更强的耦合强度？　
针对这些问题，我们将从基础理论出发，构建可行的混合量子体系和提出新的耦合方案，实现对金刚石NV色心更加有效的量子模拟和量子操控。本论文的研究工作主要分为以下几个方面：　
1．利用金刚石NV色心系综与超导传输线微波谐振腔构建混合量子体系，并有效的模拟Lipkin-Meshkov-Glick（LMG）自旋模型。该理论研究的亮点在于利用金刚石NV色心的系综与微波谐振腔这样一个简单的体系，理论模拟了多种类型的LMG模型，并且讨论了该自旋系综量子相变和自旋压缩态的制备。
2．利用少量的金刚石NV色心与悬臂梁式的纳米机械振子构建混合量子体系，同样有效的模拟LMG自旋模型。在理论模拟LMG模型的过程中，对其中几个特殊形式的模型（各向同性和单轴扭动）的基态进行了重点的分析和讨论，并且找到了几条特殊的绝热通道，利用该绝热通道我们实现了多粒子纠缠态-Greenberger-Horne-Zeilinger　(GHZ)态和W态的高保真度的绝热制备。利用固态电子自旋和机械声子来模拟LMG模型，并提出了多个电子自旋纠缠态的绝热制备方案为该理论研究的创新点所在。
3．在研究工作（2）中的混合体系的基础之上引入额外的线性资源用以调制机械振子的弹性系数，从而实现了含有二阶非线性驱动项的机械振子与单个NV色心耦合的混合量子体系。于是，在理论上，我们可以以指数倍增强NV色心与机械振子在单量子水平的耦合。不仅如此，我们还将该方案拓展到多个NV色心的情况，通过电子自旋之间的虚声子交换，我们还可以以指数倍增强多个分离的电子自旋之间的的自旋-自旋相互作用，即伊辛模型。利用线性资源实现机械参量放大并增强自旋-声子和自旋-自旋的相干耦合为该理论研究方案的最大创新点。