人工量子器件是未来技术的发展方向之一。如同半导体器件带动的第二次科技浪潮一样,量子器件也很有可能引发现代技术深刻的变革。利用量子力学中许多奇妙的性质,量子器件有着比传统半导体器件更丰富和更奇特的物理特性。这些不同于经典宏观世界的特性,有着广泛的应用前景。人工量子器件及其衍生的各种技术和工具所创造的生产力,有可能会超过之前的数次科技革命,甚至比所有之和还要多。未来量子器件所面临的问题,对广大科研工作者和工程师,既是挑战,也是时代的机遇和使命。人工量子器件可以是指单个的具有量子特性的元器件,也可以由多个具有量子特性的元器件通过各种形式组合而成。多个乃至无穷个元器件组成的集成系统,由于量子相干特性而产生丰富的物理效应和应用前景。在已经成熟的应用领域内,激光半导体,电子隧道显微镜,核磁共振成像等,都是量子力学产生重要作用和原理指导的重要技术。在人工量子器件中,由大量的激发单元集体激发的模式,以及各种模式之间的量子干涉效应,呈现出凝聚态物理中新奇而丰富的物理现象。例如著名的玻色-爱因斯坦凝聚,超导现象等等,都是一种特殊条件（温度,磁场等）下的集体激发的宏观量子现象。这些奇特的宏观凝聚态效应,不但刷新了人类对于客观世界的认知,也为技术的应用,造福人类,奠定了理论基础。在自然界的一些生命过程中,业已证实存在微观的量子效应。特别是量子相干性在生命系统中的发现,例如植物的光合作用,候鸟的定向迁徙过程等等。科学家建立了科学的模型对这些过程进行了描述和计算,预言和证实了各种有意义的现象和结果。这些自然界中的生命量子现象,为人类设计和发展人工量子器件提供了重要的动力学启示和结构启示。本文从具体的量子器件基础模型出发,建立了结构功能更复杂,实际应用中更合理科学的模型。我们通过对拓扑边界条件,能量传输效率,量子态的跃迁概率,吸收发射谱的分布特性等问题的具体讨论,发展和建立了人工量子器件中的一些基本问题的解决思路和方法。能量传输的效率是我们关心的一个重要问题。从系统结构入手提高能量传输效率是本文的一个切入点。为了使人工量子器件的研究和实际应用更具有说服力,我们还发展完善了人工特殊量子结构的实现方案。在基于量子点技术的基础上,实现了系统中特殊结构和耦合形式。量子器件中的动力学过程中还有一个重要的问题就是能级跃迁的规律。利用共振荧光的概念,通过对吸收发射谱的分析,可以知道哪些频率的信号输入、能量输入能最有效的被吸收和转化。能级跃迁的规律直接决定了吸收发射谱的分布特性。能级跃迁的规律由薛定谔方程或主方程支配,在不同的系统中有不同的具体表现。多体自旋系统具有多能级的希尔伯特空间,其高度的量子数自由度和空间自由度为人工量子器件的应用和操控带来天然的优势。本文从最基础的多体自旋系统出发,展示了将其约化到一维谐振子玻色空间的数学极限过程。又根据一维谐振子中重要的Franck-Condon原理,通过类比预言多自旋空间中的类似原理。Franck-Condon原理是能级跃迁规律的重要原理,这些工作为多自旋空间的量子操控的概念,提供了理论基础和根据。本论文主要分为五个章节。第一章为引言,主要介绍量子器件所涉及的一些基本物理问题,交代背景和前人工作。重点介绍人工光合作用领域,自旋量子态调控的一些工作;在第二章里,我们从人工光合作用系统中的具体模型出发,阐明了系统结构中拓扑边界条件对于能量传输效率的影响机制。具有拓扑性质的边界条件导致集体激发模式发生分裂,由简单的单模暗态传输变成更复杂的多模相干传输。数值计算和理论分析证明,某些特殊的拓扑边界条件将导致很高的能量传输效率。我们还具体给出了实现特殊边界结构的实验方案;在第三章,我们首先回顾了谐振子相干态,根据自旋相干态和谐振子相干态的约化相似性质,我们把和谐振子相干态联系密切的Franck-Condon效应进行了简单回顾。然后,我们提出了自旋相干态中Franck-Condon效应。第四章我们系统解释了自旋相干态系统中的能级跃迁规律,并给出了量子跃迁中的概率分布和经典行为的对应特征。这个工作为理解量子概率分布和能级跃迁行为提供了一种思路,并为研究其它更复杂模型指明了一个方向。第五章总结了全文的工作,并以此展望未来的一些相关问题。