量子计算是量子信息处理领域的重要课题。作为实现量子计算的物理基础,量子计算机需要满足初始化、控制、相干时间、读出及可扩展性等方面的需求。金刚石中的氮空位(nitrogen vacancy,NV)色心由于其光学特性,是实用量子计算机的热门候选体系之一。有两方面的因素会影响我们对NV色心的操控精度:由环境引起的退相干和控制误差。对于由NV色心与核自旋构成的混合量子系统,退相干效应的影响更加明显:由于核自旋的磁矩很小,其需要的控制时间会很长,可以与NV自旋的相干时间相比。我们需要在完成对混合系统控制的同时,保护NV电子自旋的相干性。另一方面,利用量子和乐性的和乐量子计算是抑制某些种类控制误差的控制方案,其中兼顾操作时间与几何性的非绝热和乐量子计算具有更高的实用性。为了方便非绝热和乐量子计算在NV色心系统中的应用,我们需要找到更具灵活性的方案,并使其具有对抗另一类噪声(如NV色心的热噪声及控制场强度噪声)的鲁棒性。量子最优化控制方法将量子力学与数值优化方法结合,在NV色心控制方向有很多应用。在本文中,我们采用最优化控制方法解决了上面提到的两个问题。本文的主要研究包含以下两部分:·与平均哈密顿量理论结合,我们给出了在NV色心与13C核自旋的弱耦合系统中实现最优化控制的方法,并在实验上进行了演示。我们提出的控制方案可以在实现目标演化的同时,对抗由于环境自身演化所产生的量子噪声。实验上,我们在弱耦合3量子比特系统中演示了控制相位门,交换门,在控制过程中我们可以将电子自旋的相干时间延长至1.02 ms,该时间为NV色心T2时间的5倍。并且,我们在两个13C核自旋上制备了纠缠态,测得的态保真度达到73%。·我们设计了利用最优化控制方法搜索非绝热和乐控制路径的通用方法,该方法还可以对抗具有准静态特性的噪声。在数值模拟中,我们将该控制方案与之前NV中的非绝热和乐量子控制方案进行了比对,证明了其优越性。为了进一步证明该方法的一般性,我们还在具有ZZ耦合的量子比特模型中搜索了非绝热和乐控制方案。