量子计算作为一种新型的信息处理方式,利用量子力学的原理,能够有效处理如大数分解等很多经典计算难以解决的问题。要实现实用的大规模量子计算,需要通过纠错编码的方式实现容错量子计算,这要求实现的量子逻辑门的保真度高于某个容错阈值。容错阈值对量子逻辑门的保真度的要求是很苛刻的,以surface code为例,一般认为其要求量子逻辑门的保真度需达到0.99以上。而物理体系的量子特性极易受到噪声的影响,如何在噪声影响下实现高保真度的量子逻辑门,成为很多体系实现量子计算的一个重大挑战。我们基于量子计算的一个重要候选体系——金刚石NV色心,实验研究能够抑制噪声进而实现高保真度量子逻辑门的方法,并在金刚石NV色心体系实现了保真度高达0.99995的单比特量子逻辑门和保真度0.992的两比特量子逻辑门。这些量子逻辑门保真度不仅达到了 surface code对保真度的阈值要求,而且是目前为止固态自旋体系量子逻辑门保真度的最高水平。本论文的主要内容是介绍我们在金刚石NV色心体系进行高保真度量子逻辑门的实验研究的主要成果,主要包括以下三个工作:1.实验验证和实现动力学纠错量子逻辑门。我们通过动力学纠错量子逻辑门,国际上首次将实现量子逻辑门过程中对噪声的抑制水平达到6阶,并将可用于施加量子逻辑门的相干时间突破T₂极限,达到T_1ρ极限。2.实现保真度达到容错阈值要求的普适量子逻辑门。我们发展了新型组合脉冲、最优控制、波形校准等方法和技术,在室温大气下¹³C自然丰度的金刚石中的NV色心体系实现了保真度高达0.99995的单比特量子逻辑门和保真度0.992的两比特量子逻辑门。3.实验实现时间最优的普适量子逻辑门。我们将量子最速降线方程应用于金刚石NV色心体系,国际上首次以时间最优的方式实现了普适量子逻辑门,实现的量子逻辑门不仅保真度高达0.99,而且时间比常规方法显著缩短。