我们生活在一个信息时代，信息科学在改善人类的生活品质以及推动社会的文明发展中发挥着令人惊叹的作用。量子信息学是量子力学和信息科学相结合的产物，由于受量子力学规律支配，量子信息科学呈现出与经典信息科学截然不同的崭新面貌。在许多方面有着经典信息学所无法比拟的优势，比如利用量子态的相干叠加性，人们提出了量子并行算法，用于解决诸如大数因子分解等经典计算无法解决的问题。又如，量子不可克隆定理使得量子信息不能像经典信息那样任意被复制，这使得人们可以建立起绝对安全的量子密码体系。再如，量子纠缠可以起到连接不同空间点的量子信道的作用，从而实现量子隐形传态。总之，量子信息科学的诞生为未来信息科学与技术注入了新的活力。量子信息和量子计算的巨大潜力吸引着越来越多的科学家从事这方面的理论和实验研究。在量子信息的研究中，需要对量子信息进行处理，那么量子硬件必不可少。就目前而言，腔量子电动力学(QED)是研究得比较早、发展得比较快，并且被认为是最有前途的方案之一。腔QED是原子物埋与量子光学研究的交叉领域。它主要研究原子与特定边界条件下量子化光场的相互作用。在过去的几十年里，它预言了许多崭新的物理现象，如微腔中原子自发辐射的抑制或增强和强耦合极限下辐射谱的Rabi分裂等。近年来，由于冷却原子技术和光刻方法的长足进步，在超小尺度腔中，可以实现光子与原子质心动量能量的有效交换，从而导致原子光学的诞生。最近，在量子信息的研究中，腔QED系统显示了其它系统不可替代的作用。因此，我们有必要以深入浅出的方式，系统地介绍腔QED的基本概念和方法。这不仅可以使其在量子信息中的应用研究建立在坚实的理论基础之上，而且能够加深对特殊条件下光与物质相互作用丰富的物理现象及其内在本质的理解。目前，世界上有很多小组在从事腔QED方面的实验研究。但是腔OED的研究在国内尚属起步阶段，比起国外目前的水平而言，差距较大，需要迎头赶上。这正是本人试图将其作为博士学位论文研究的一个重要原因。本论文在以下几个方面得到很有价值的研究成果：Ⅰ．在腔QED中实现多光子纠缠态的制备量子纠缠是量子信息学中最重要也是最为奇特的一个课题。在量子信息学中，量子信息的处理离不开量子态及其演化，而量子纠缠态毫无疑问是各种各样的量子态中最重要的一种。量子纠缠在量子信息学的两大领域—量子通信和量子计算中都有着广泛的应用。既然纠缠态如此重要，研究其制备及操纵就成为重要的课题。纠缠态的制备在不同的物理系统中有不同的实现方法，目前在离子阱、原子—光腔、自发参量下转换等体系中都已经在实验上实现了纠缠态的制备。纠缠的光子由于其与环境作用小，传播距离远，引起了人们特别的注意。标准的产生纠缠光子的方法是利用非线性晶体的参量下转换过程，然而这种过程带有随机性。我们提出一种在腔QED中产生多光子纠缠态的方法，利用大失谐下绝热演化的方法，这种方法可以克服原子自发辐射引起的耗散，而这种耗散是腔QED完成量子信息过程的主要障碍之一。另外，我们的方案还可以推广到产生任意四模多光子纠缠态。Ⅱ．在腔QED中实现任意叠加Dicke态的量子隐形传输量子通信中最基本的原型就是量子隐形传态(quantum teleportation)，它应用纠缠EPR态作为信道，通过局域Bell基测量并辅助以经典通信把一个量子态从一个地方传递到另一个地方。量子隐形传态是构成各量子通信任务的基本模型，只要有纠缠信道和经典通信信道，量子隐形传态可以完成绝大部分量子通信任务。1993年，Bennett等人的富有科学幻想色彩的量子隐形传态的方案一经提出，立即激发起人们极大的兴趣，对如何传送量子态人们已经进行了深入的理论和实验研究，关于量子隐形传态的各种方案相继出现。这里我们提出一种量子隐形传输任意叠加的原子Dicke态的方案。多原子Dicke态是一种重要的多量子比特态，Dicke态及其叠加态在量子非局域性的证明，高精度光谱学和量子信息过程中都有重要的应用。在这个方案中我们采用绝热演化的方法，原子仅在暗态空间中演化，激发态上不曾有布局，因此自发辐射噪声对该方案几乎没有什么影响。另外，仅当四个光子探测器同时触发时方案才成功，因而探测器和输出耦合的无效性只是降低方案的成功几率，而对终态的保真度没有影响，所以对于任意叠加的原子Dicke态保真度都为1。Ⅲ．基于腔QED的条件量子相位门量子计算机比经典计算机能更有效地解决某些计算难题，而通过级联量子相位门和单比特门就可实现普适量了计算。对原子量子比特而言，其单比特门只要利用原子和经典场相互作用即可实现，因此设计两量子比特门成为量子计算中需要解决的关键问题。在完成量子相位门的各种系统中，腔QED在相干操作上有明显的优势。我们提出一个方案，采用Λ-位型三能级原子作为信息转移通路来实现两个偏振腔模的量子相位门。我们的方案有以下几个特点：1)典型的量子相位门在实验实现上一般都要求两个量子比特处于相同的地位上，因此在我们的方案中就将腔内辐射场的两个不同的偏振模的0，1光子态作为两个量子比特。2)我们将原子作为存储量子比特，光子作为飞行量子比特，不管对量子通讯还是量子计算这都是比较理想的。3)在我们的方案中量子相位门操作的成功完成需要两光子共振条件，对三能级原子和腔模相互作用时间的精确控制将产生完成量子相位门的条件演化。另外，我们也讨论了两个失谐不相等对量子相位门保真度的影响。4)我们还给出了耗散情况下，系统保真度随自发辐射率和腔衰减率的变化的数值模拟。