量子信息科学是一门将量子力学的基本原理和方法应用于信息科学的交叉学科,它有着很多的研究领域与分支：比如量子计算、量子模拟、量子通信等。由于量子力学特性的支持,量子计算机以及应用于其上的算法在速度上相对经典计算机有着不可比拟的优势；同时量子模拟的方案也能很好地解决现有计算方法无法模拟量子力学原理下多体物理系统的问题；而量子通信则有着不可克隆与测量塌缩的性质,因而在保密通信研究中有很重要的地位。基于包括以上几点在内的很多原因,量子信息科学自诞生之日起就受到广泛的关注并吸引着大量的科研工作者前来研究。在这篇论文中,我们首先着重介绍了其中量子计算,量子模拟的基本原理和过程。在量子计算方面,我们阐述了实现高保真度相位门的重要性,并提出了一个实现2量子比特相位门的方案；我们还说明了纠缠态的制备在量子网络的实现以及其他量子计算的应用中都有很重要的地位,并提出了一个将一般混态进行纯化的方法。在量子模拟方面,我们着重说明了光晶格系统与人工规范场,并提出了光晶格系统中的一个普适的单粒子定向输运方案：研究了人工规范场下加入平面磁场的Rashba自旋轨道耦合系统的一些性质。这些工作内容具体表述如下：1：我们提出了一个控制一维光晶格中冷原子进行定向输运的方案。在该方案中,我们将邻近格点间的有效隧穿通过隧穿相干破坏(CDT)的方式进行调节。不同于以往的调节外加驱动场频率或强度的方式,我们的方案用相位的调节取代频率与强度的调节来实现CDT,因而可以更容易地实现定向量子输运。我们的方案克服了Creffield et al [Phys. Rev. Lett.99,110501(2007)]方案的主要不足,原则上可以被应用到任何一维光晶格中。我们也讨论了该方案下的一些其他有潜力的应用。2：我们提出了一个对一般纠缠混态进行纯化的方案。在该方案中,我们从大量一般纠缠混态对出发,最终通过局域操作和经典通信制备出少量处于拥有更高纠缠度的Bell对角态的粒子对。同时作为一个特例,该方案也可以从一对特定纠缠混态中直接提取出最大纠缠态。我们还进一步提出了该纯化方案用偏振光分束器和光子探测器组成的一种线性光学实现方法。3：我们提出了一个利用光腔QED中的原子实现2量子比特相位门的实验方案。这个方案中的相位变化主要利用腔模光场与A构型的3能级原子间的色散相互作用来完成,这种相互作用已经实现,不过是被用于自旋压缩的实验中,并没有用于实行相位门的方案。我们还讨论了腔耗散对门操作保真度的影响,并说明了该方案中门操作的保真度在腔耗散的影响下依然很稳定,从而在现有的实验条件下也可以实现高保真度的2量子比特相位门。4：我们研究了受横向磁场影响的纯Rashba型自旋轨道耦合波色气体系统。通过平均场近似理论的计算,我们得到了系统在零温下的相图,并发现系统含有3个相：平面波相(PW),条纹相(SW)和零动量相(ZM)。我们的计算也说明随着外加横向磁场的增大,SW相和ZM相最终都会变为PW相。我们还进一步使用Bogoliubov理论计算了系统的激发模与声速。