量子信息学和量子光学近年来飞速发展,基于超导原子和超导腔构成的电路量子电动力学系统(Circuit Quantum Electrodynamics,简称电路QED)成为研究的热点。超导原子也称为超导量子比特它是基于固态的人造原子并且具有易于操作以及扩展性强等优点;超导腔为超导量子比特提供了很好的磁场环境并且置于超导腔中的微波光子寿命长,因此具有高品质因子的超导腔不仅充当量子数据总线同时也可以被用于量子存储。而以超导量子电路为单位的电路QED系统耗散小、易于操控、器件设计灵活以及集成性高等突出优点,为超导量子比特和微波光子直接实现强耦合提供了一种方法。在电路QED系统中构建多比特相位门可以实现多种量子计算的任务。本文主要研究了基于超导原子和超导腔构成的电路QED系统中实现多比特相位门。首先介绍了课题的研究背景、电路电动力学简介和多比特相位门的发展现状以及量子比特和量子逻辑门的基础知识;其次介绍了基于约瑟夫森结的电路QED系统概述以及Jaynes-Cummings模型等;最后提出两种实现多比特相位门的方案:在电路QED系统中,分别以超导原子作为量子信息载体以及微波光子作为量子信息载体去实现多量子比特相位门。主要研究内容如下:(1)我们提出了一步实现多比特相位门的方案,用一个超导原子(四能级结构)同时控制多个目标量子比特。该方案的创新点如下:1.超导原子作为量子信息的载体,将量子信息部分编码在超导原子的缀饰态上。数值模拟表明这种编码方式部分地消除了退相干效应,并且提高了方案的鲁棒性。2.利用多比特受控相位门制备Bell态,GHZ态以及团簇态。数值模拟表明此方案可以制备高保真度的纠缠态。3.马尔可夫主方程分析耗散系统的动力学过程,结果表明该方案对微波腔的衰减率具有很强的鲁棒性。此外,此方案具有普遍性可以应用于其他类型的超导原子,并在广泛的物理系统中完成相同的任务。(2)我们提出了一种实现多比特相位门的方案。在该方案中,多个单模谐振器以其真空和单光子的Fock态作为量子信息的载体,一个多能级的超导原子作为量子总线起到媒介作用,使多个单模谐振器之间的间接相互作用。该方案的创新点如下:1.我们将常数的耦合强度替换为塑形的含时耦合强度,数值结果证明了脉冲塑形提高了方案的鲁棒性,但是以较长的门时间为代价。2.为了研究方案可行性我们利用主方程,分析了总线的激发态的能量驰豫率和腔的腔耗散率对最后时刻门保真度的影响。数值结果表明,方案的保真度受总线的激发态的能量驰豫率不大并且具有很高的鲁棒性。3.我们考虑到由于超导原子中没有选择定则,因此微波场和经典场会使任意两个能级耦合。这可能会影响方案的可行性。因此,我们提出了优化失谐补偿的方法去抑制不必要的跃迁。最终数值模拟考虑不想要的跃迁后,相位门的保真度随时间的演化图,结果证明此方法可以有效抑制不想要的跃迁从而提高方案的可行性。