近二十年来，量子计算机的研究日益受到人们的关注，主要是因为量子计算机具有强大的并行计算能力和可以有效地模拟量子行为的能力，这是经典计算机望尘莫及的。在量子计算的研究中，量子逻辑门和量子态传递是进行规模化量子计算，特别是分布式量子计算的基本要素。另一方面，运用量子计算的现有技术手段进行量子模拟是量子计算研究的一个重要方面，它对发现微尺度物质新物理、纳米材料等研究有着非凡意义。本文在量子光学系统中针对量子计算与量子模拟的理论研究，重点探讨了如何实现可扩展的量子逻辑门和不同节点间的量子态传递，以及用较易操控的量子系统模拟量子自旋系统的动力学问题。主要结果和创新点如下：一，在腔QED系统中，提出了一种实现原子-光子量子接口的新方案。该方案利用光子诱发电磁感应透明现象，获得了腔内原子和入射光子脉冲之间的控制非门，从而实现了原子与光子之间的量子接口，并推广到空间分离的原子之间以及两束单光子脉冲之间的控制非门。量子接口及空间分离量子位之间的逻辑门是进行分布式量子计算的重要组成部分。本方案对因原子自发辐射和光子损失引起的消相干不敏感，更重要的是不需要在好腔极限下工作，大大减少了对实验硬件的要求。二，基于量子网络的分布式量子计算弥补了腔QED系统的量子计算在可扩展性方面的缺陷，它要求每个节点都能进行量子信息处理，同时节点之间可以进行量子通信。针对量子网络的这一要求，我们在原子-腔-光纤复合系统中，提出了利用量子绝热过程在不同节点之间进行量子态传递的理论方案。该方案只需缓慢改变经典激光场强度，就能高保真度地完成量子态的传递，而不需要精确控制时间；同时对原子自发辐射和光纤耗散引起的消相干也有很好的免疫力。三，在离子阱系统中，将编码在离子内态上的量子位等效为1/2自旋费米子，通过交换虚声子过程模拟了长程、可控的Ising、XY与XYZ等相互作用类型的自旋模型，并对这种长程相互作用可能导致的量子阻挫现象进行了讨论与研究。通过调节激光的某些参数，不仅能控制自旋之间的耦合强度，还能得到各种不同的自旋模型；同时由于在整个过程中声子只是虚激发，故本方案对离子的热运动不敏感。四，在一维冷极性分子晶体中，提出了一种模拟自旋1/2的长程Ising模型的理论方案。首先，方案巧妙地利用外电场调节极性分子的内部能级和电偶极矩，使得分子晶体的集体振动模式——声子和自旋产生耦合；然后，通过绝热消除声子态得到可调控的长程Ising相互作用；最后，首次利用极性分子系统模拟了这种长程Ising模型所呈现的阻挫及相变现象，并在此基础上进行了纠缠态的制备。