利用NV色心與外界電子自旋的相互作用，實現了在室溫大氣環境下，單個蛋白質分子的電子順磁共振譜學研究。實現納米尺度甚至單自旋水平對微觀物質單元的測量，可以獲取被系綜統計平均所掩蓋的個體信息，從而更本質地理解物質的結構與性質。

NV色心的基態可以等效為自旋為1的電子自旋，其中的兩個自旋能級可以用來編碼量子比特。結合N（N的兩種同位素¹⁴N和¹⁵N均具有核自旋）以及近鄰的¹³C核自旋，每個NV色心可以與附近的核自旋組成數個量子比特。通過施加激光實現對NV色心電子自旋的初始化和讀出，施加微波和射頻脈沖實現量子邏輯門。目前NV色心自旋體系的單比特量子邏輯門的保真度可達99.9952 %。