量子力学的建立为人们认识客观事物提供了全新的思维方式,它的发展极大地推动了人类科学技术的进步。当前,我们正处于第二次量子革命时期,科技发展日新月异。量子通信、量子计算、量子传感等量子信息科学技术蓬勃发展,有望为多学科交叉领域提供有力支撑。金刚石中的氮-空位中心是固态自旋量子体系中性质优越的量子物理体系之一。氮-空位中心因其室温下具有较长量子相干时间、易于光学初始化和读取以及具有较高的探测灵敏度等优势成为量子传感、量子计算等领域中较有发展潜力的候选量子物理体系之一。本论文基于金刚石中的氮-空位中心,围绕原子核自旋的极化与测量开展了如下两方面的研究。核磁共振的探测灵敏度和空间分辨率往往受限于原子核自旋的极化效率。原子核自旋动态极化是可以提高核自旋极化效率的有效方法。然而,传统的原子核自旋动态极化机制通常要求在低温和强磁场环境下进行。我们提出了可以克服上述条件限制的原子核自旋动态极化方案:基于金刚石中的氮-空位中心扫频驱动的核自旋动态极化。这一方案基于Hartmann-Hahn共振极化转移条件,通过扫描微波场的频率,能够有效地驱动氮-空位中心系综参与原子核自旋的动态极化。我们通过数值计算方法模拟了基于氮-空位中心的13C原子核自旋动态极化的动力学过程。数值模拟的结果显示,我们的方案可以有效地克服氮-空位中心系综跃迁频率的非均匀展宽效应对核自旋动态极化效率的制约。原子核自旋的量子态测量是本论文的第二个主要研究内容。对于经典物理体系来讲,我们可以直接观测其物理状态而不引起它原有物理状态的改变。然而,一个量子体系的量子态一旦被测量,其原有量子态就会被破坏或者改变。这意味着观测量子体系的量子态面临着更大的挑战。另一方面,一些“暗”量子体系（如原子核自旋体系）的量子态更难被直接观测。量子态层析是从测量数据中推导、重建完备量子态,从而有效表征量子态的方法。我们借助量子传感的思想,以量子态层析为切入点,研究了量子态间接测量的方法,提出了基于局域随机控制场的量子态层析方案。在实验上,我们利用自主搭建的激光共聚焦扫描成像实验平台,以金刚石中氮-空位中心和13C原子核自旋相耦合形成的双量子比特为实验体系,采用局域操控的方法,仅通过对实验体系中的单个量子比特（氮-空位中心）施加随机调制的微波场,成功地实现了双量子比特体系初始自旋态和自旋纠缠态的量子态层析测量。我们将相应的测量数据进行分析,进而高保真度地重构出整个量子体系的量子态。该方案为原子核自旋的量子态测量提供了新的途径。