在传统的电子集成芯片领域,纳米加工技术、量子隧穿效应、功耗和散热等方面制约着基于电子芯片的信息技术的进一步发展。量子信息科学应运而生,基于量子态的叠加原理、量子不可克隆原理和量子精密测量、有望实现高效的量子计算、高速而安全的量子信息传输,并能够突破经典噪声和不确定性原理的限制实现更加精确的测量。经过近三十的努力,量子信息在很多物理体系中取得了卓有成效的进展,包括电子和空穴自旋、核自旋、光子、机械振子、超导约瑟芬结、原子和离子阱。其中,光子具有多重自由度、室温环境下的退相干小、信息传输速率高以及技术成熟等多方面的优势,因此人们已经在基于光子的量子态的量子信息处理方面取得了众多突破性的进展。然而,传统光学元件尺寸较大并且光路受到环境温度、气流和振动的影响非常大,限制了光子量子信息处理的进一步扩展。在集成光学芯片上,固态介质组成的光学元件和光路性能稳定、能耗更小可扩展性强,因而是光子量子信息处理的必然发展趋势。本论文致力于研究集成光学芯片上的量子信息处理。一方面,研究各种集成光学元件的基本性质,与实验结合设计各种新的器件,并开发新的材料和物理体系来提高器件的性能,从而实现对量子态的制备和操控。另外一方面,光的传播可以类比量子态的演化,因而赋予集成芯片的光学研究新的内涵和物理,可以利用集成光学芯片模拟量子模型或者基于量子力学原理设计新颖的集成光学元件。本论文具体的研究内容包括以下几个方面：1.集成光学芯片器件基本性质集成光学芯片上最基本的组成部分是光子的载体,即波导和微谐振腔。波导可以传输光子,连接不同的集成器件；谐振腔可以局域光子,增强光子与物质的相互作用,基于两者可以实现各种不同功能的光学器件。我们研究小组深入研究了各种波导结构和回音壁模式微谐振腔的基本性质。结合过去几年我们小组的实验进展,本论文详细介绍了回音壁模式光学微腔的基本性质、实际的材料和制备方法。本人在理论上研究了回音壁模式的耦合模式理论,研究了其与近场波导的平行和垂直耦合,对实验中的回音壁模式的高效激发和收集提供理论支持。为了避免在低温腔内进行实验时对微腔近场操控的限制,本人还研究了非对称的回音壁模式微腔的方向性发射。首次给出高Q单向性发射的回音壁模式的基本原理,并基于此设计和优化了实用的方向性发射微腔。另外还首次给出远场激发回音壁模式微腔的自洽理论,为自由空间耦合高Q回音壁模式微腔提供理论指导。2.集成芯片上光子与二能级体系相互作用二能级原子是最简单的量子体系,利用光子与其作用,可以实现单光子光源、原子媒介的光子光子相互作用以及光子媒介的原子原子相互作用,从而用于量子纠缠、量子态的制备和存储等应用。我们小组致力于实现固态量子点和微腔的强耦合实验,希望基于此构造固态量子信息处理器。因此,本人开展了这个方面的理论研究。在波导和回音壁模式微腔附近,由于局部的电磁场模式密度的改变会造成原子自发辐射速率的改变。基于此,我们提出利用纳米光纤和表面等离子体的复合结构,实现高效的单光子源。实验上已经观测到了回音壁模式腔对量子点荧光寿命的调制效应。我们提出了各种改进的实验方案来帮助解决在单个量子点和回音壁模式微腔的强耦合实验中遇到的一些困难。例如,通过用混杂有量子点的聚合物包裹微腔表面,可以实现更加高效和稳定的强耦合。3.光与机械相互作用本人将机械振子这样一个新的元素引入到集成光学芯片上,从而实现更多实用的光学器件和量子信息处理。光机械作用的一个特点就是任意波长的光子携带的动量都可以转移到机械体系上,光与机械相互作用无需频率共振。本人的研究包括两个方面：(1)用经典的光力控制机械振子的运动从而实现对光路的调制。在集成芯片上,微纳结构的质量和弹性系数非常小而更容易变形,利用波导和微腔对光的束缚,可以在输入光能量很小的情况下调节机械振子的状态。利用这种光机械相互作用使得光与光间接地相互作用,可以实现相位和能量的调制器,具有全光特性和低功耗的优势。(2)利用简谐振子的量子态实现量子信息处理,包括量子纠缠和光子频率转换等。我们首次提出了一种室温下实现光机械量子纠缠的实验体系。该体系由一个高机械品质因子(Qm)的机械谐振子和高光学品质因子(Qo)的微盘腔组成,均由Si3N4材料制备,与其它光学集成器件兼容。在这个体系中,如果固定其他参数不变,纠缠只与温度和机械Qm的比值有关,也就是说Qm越高,量子纠缠就能在越高的温度下存在。机械体系其独有的性质有望在集成光学芯片量子信息处理中发挥重要的作用。4.集成光学量子模拟利用集成光学芯片,可以构造特定的结构来模拟和类比其他物理体系,实现对某些量子物理问题的模拟研究。本人利用集成光学芯片模拟了量子开放体系,并研究了系统与环境相互作用的马尔科夫、非马尔科夫动力学过程。通过直接观测电磁场的能量分布和演化,可以直观的理解系统与环境相互作用的内在物理机制。在集成光学芯片上,可以非常方便的控制环境的尺寸以及系统与环境的相互作用强度,从而研究其中各个细节。值得一提的是,我们还证明了通过对系统施加周期性的调制可以改变系统的演化,加快或者减慢系统能量的耗散速率。类似于自旋体系的动力学解耦,我们的研究为集成光学芯片提供了一种新的方法来控制光学耗散。更重要的是,这种光学与量子的模拟或者类比为我们研究基本物理过程和现象提供了新的视角。5.量子力学启发的新器件设计通过量子力学与集成光学芯片的模拟类比,本人借鉴量子力学中的一些有趣的现象和原理来设计新的集成光学器件。(1)基于绝热量子态演化模型的激发方式,首次提出介质波导模式与表面等离子体模式的高效转化。在实验上这一激发方式已经被证实。在此基础上进一步提出了新颖的利用表面等离子体模式的高效集成偏振器件：起偏器和偏振分束器,可以实现光学芯片上的偏振量子态的操控。(2)基于连续体中的局域态模型实现一种全新的金刚石光学芯片,突破了传统的芯片上器件只能在低折射率基底上制备高折射率微纳光学结构的限制,提供了一个新的集成光学实验平台,有望用于光子与金刚石内的NV色心的强相互作用以及基于此的量子信息处理和量子网络。