固态系统是最有希望实现量子计算机的体系之一。近年来，基于超导系统的量子计算和量子模拟的巨大发展促进了量子体系操控技术的长足进步。特别地，因超导体系固有的易集成、易操控的显著优势而使其具有较强的竞争力。针对超导系统相干时间短的劣势，本文在研究其非线性效应的基础上，重点研究了超导体系和其它固态体系相结合的方案，优化组合各子系统的显著优点，在固态混合系统中利用耦合腔技术实现量子信息处理中的许多重要环节。本论文主要研究内容如下:　　第一章简要介绍了量子信息处理中的基本概念和腔量子电动力学(CavityQuantum Electrodynamics，腔QED)。首先，简单介绍了量子信息中的量子比特、量子纠缠以及纠缠态制备和压缩态等概念。随后，介绍了量子计算中的量子门、量子线路和量子测量等操控手段;接着介绍了相干时间较长但不易操控的天然原子（离子）和金刚石晶体中的氮空色心(Nitrogen-Vacancy center，NV center)自旋比特及其能级结构，介绍了易操控、易集成但相干时间较短的超导人工原子及其量子化过程。最后，我们介绍了光学腔的量子化及其输入输出关系，借助光与物质相互作用的基本模型介绍了腔QED内容，并对系统存在消相干作用时的处理方法做了简单介绍。　　第二章主要讨论了Kerr介质的弱非线性效应及其在量子信息处理中的应用。首先我们介绍了基于交叉Kerr非线性介质的量子非破坏测量技术，而基于Kerr非线性的CNOT门及Bell态分析仪已在实验上实现，基于此，我们借助线性光学器件、弱交叉非线性Kerr介质和量子非破坏测量技术实现了近似确定性的量子纠缠态制备。方案对退相干具有较强的鲁棒性;同时，较少的物理资源利用使得方案更有效更具实验可行性。　　第三章主要研究了基于新型超导量子干涉仪(Superconducting quantuminterference device，SQUID)的固态超导体系中的非线性及其应用问题。首先介绍了一维超导输运线腔等效的LC电路及其量子化，接着阐述了光与物质相互作用的线路腔QED。在此基础上，我们提出了基于新型SQUID和一维超导输运线腔耦合的微波腔场压缩方案，对称设计的四结超导比特使得腔与原子耦合的一阶相互作用完全消除，得到了较强的二阶非线性效应。最后，我们在退相干环境下对此固态系统压缩效果的数值模拟结果表明，仅单个新型超导比特的超导线路系统可实现比纳米机械振子系统和多比特超导系统的压缩方案更好的压缩效果。　　第四章重点讨论了基于超导体系的混合系统中高保真度量子态转移(Quantumstate transfer, QST)在中间耦合机制下的实现问题。首先，我们介绍了混合系统中各个子系统的特性，特别是纳米机械振子的量子化及其与NV center、超导比特以及一维超导输运线腔的耦合等内容。QST已在光学系统、超导系统及纳米机械振子系统中广泛研究，包括在强耦合和弱耦合机制下的可靠QST等内容，但是对混合系统中的QST，特别是在中间耦合机制下的QST方案研究甚少。本文在介绍超导电路和纳米机械振子耦合系统（Electromechanical system， EM系统）结构和特性的基础上，提出了基于电、力两个子系统之间的高保真度QST理论实现方案，方案采用电荷比特作为信息处理器和一维超导输运线腔耦合、NV center作为信息存储器和纳米机械振子腔耦合的混合系统，理论计算和退相干环境下的数值模拟结果显示，基于超导体系的混合系统QST在中间耦合机制下相对强耦合和弱耦合机制有非常显著的优势，在其它参数相同情况下，可在更短的时间（弱耦合的1/10，强耦合的1/5）内实现更高保真度的QST（达到92％及以上），而且，数值模拟的最优结果可以在自旋1/2的XY链模型下得到解析的解释。这为类似的耦合谐振子系统中的量子信息转移开辟了新的可行途径。