量子光学主要应用辐射的量子理论来研究光辐射的产生、传输、检测、相干统计性质以及光与物质相互作用中的基础物理问题。量子光学的主要任务是,研究光场中各种经典的和非经典的现象以及其物理本质,揭示光场中各种线性以及非线性效应的物理原理,揭示光场与物质相互作用中多种动力学特性以及物质结构与动力学特性之间的关系,揭示光子与光子相互作用的基本特征、原理、规律以及光子的深层次结构。量子信息学是量子力学与经典信息学相结合而产生的一门新学科。微观体系具有一系列独特的量子特性,为信息学带来许多前所未有的新现象,在信息的表示、加工、处理以及传输各方面都发展出许多新的概念、原理和方法。量子信息学以及随之而发展的量子通信技术在未来的信息与通信研究领域将具有举足轻重的独特地位,将发挥不可替代的作用。量子计算机目前仍然应用二进制数据,相应的量子数据也多采用二能级量子系统。然而,随着研究领域的扩展,高维量子系统已经得到越来越广泛的关注。由于高维量子系统具有更多的量子通道,可以存储更多的信息,既可以提高信息传输的安全性,又可以简化量子逻辑门的操作,因此在量子信息处理中有着潜在的应用价值。本文在量子光学的基本模型Rabi模型的基础之上,在原子与光场的相互作用中增加了非线性压缩项,应用绝热近似的方法研究了整个系统的能量状态以及系统随时间演化的规律。此外,本文重点介绍了如何构造高维多控制位TOFFOLI量子门,以及应用偏振光子与原子和振荡器耦合模型来完成高维多控制位TOFFOLI门的物理实现。