量子通信是量子信息的主要研究方向之一,是量子力学在信息领域的重要应用。它从物理原理上保证了通信的绝对安全,解决了经典物理无法解决的问题,是一种全新的通信方式。它的推广和应用必将带来信息领域的重大变革,受到物理学家,信息学家以及各国政府的广泛关注,并在理论研究和实验上取得了很多卓有成效的进展。由于和环境的相互作用会对量子系统的状态造成影响,在量子通信的实际研究中需要考虑噪声的影响。本论文研究了特定联合噪声情况下的量子信息问题,利用退相干不变子空间提出了相应的解决方法。同时,在不考虑噪声的理想情况下,我们提出一个利用杂化纠缠实现的量子密钥分配方案。另外,提出了一种广义量子门的构建方法。在考虑噪声的量子通信设计方面,我们分别针对联合旋转噪声和联合退相位噪声两种常见的噪声,建立相应的量子密钥分配和量子机密共享的理论模型。它们都以不同噪声中最小退相干不变子空间下的量子态作为量子资源建立量子信道,编码一个逻辑比特只需要两个光子。生成的密钥对应于不同的单光子幺正操作,在最后测量时也只需要技术上较容易实现的单光子测量。每种通信模式中都使用了接近最大资源利用的通信模型,具有很高的效率。在量子门的研究中,我们先给出了利用非线性弱Kerr介质的3粒子宇称区分线路,然后在这个线路基础上建立了以联合噪声中相应两粒子退相干不变子空间的量子态为逻辑控制位和逻辑目标位的CNOT门。虽然我们给出的方案对于噪声环境的要求比较严格,但是建立逻辑量子比特门为解决量子门的噪声的问题提供了新的思路,需要被更深入的研究。另外,我们利用非线性弱Kerr介质实现了量子计算机对两路广义量子门的模拟。在理想情况下量子密钥分配物理模型的研究中,我们利用在弱耦合腔QED情况下可以很好的制备光子自旋和嵌入微腔内量子点中的电子自旋的杂化纠缠态的特点,提出一个充分利用和发挥光子及电子优势的理论模型。不需要存储光子,并且几乎所有粒子都用于产生密钥,效率接近100%。