量子计算作为量子信息最重要的应用方向之一,其目的在于利用量子理论研制量子计算机。量子逻辑门的物理实现是量子计算和量子计算机的关键,因此寻找合适的物理系统来实现量子逻辑门的意义十分重大。腔QED(quantum electrodynamics)方案是最有前景的量子硬件方案之一,它的主要思想是将俘获的原子约束在高品质腔中,把原子很好地与外界环境隔离开来,使得它们有较长的相干时间;原子之间的相互作用可以通过公共的量子比特(qubit)腔模或集体振动模来实现。另一方面,为了实现通用的量子计算,多比特量子逻辑门必不可少。虽然通过两比特控制非(C-NOT)门和单比特量子门组合可以实现多比特逻辑门,但是这需要大量的物理门步骤和辅助的比特,导致不必要的物理操作复杂度,浪费不少的量子资源。为了降低物理操作的难度,直接操控多比特量子门引起了大家广泛的关注。因此,本论文把基于腔QED的多比特量子逻辑门的实现作为研究的主要课题,主要工作包括:　　1.在标准的J-C(Jaynes-Cummings)模型下,基于全量子理论分析辐射场与二能级原子相互作用。采用幺正时间演化算符法,通过薛定谔方程求出演化矩阵,调整光场的频率和光场与原子的耦合系数,适当地选择相互作用时间,可以实现一位量子逻辑门的不同逻辑功能。结果有利于指导在实验中选取合适的遵守量子力学规律的二态系统完成量子逻辑运算。　　2.提出梯形三能级原子系统通过简单的跃迁直接一步实现三比特量子相位门的方案。该方案中,原子的两个低能态作为控制位,光场的福克态(单光子或零光子态)充当目标位;与同类方案相比,三比特量子相位门的实现既不需要经典激光的辅助,同时也不需任何的量子测量步骤。数值计算结果表明当存在耗散和原子-腔耦合系数偏差时,逻辑门的保真度维持在较高的水平,而整个三比特量子相位门仅仅一步就可以直接实现。　　3.提出利用四能级原子系统实现两比特控制非门和N比特Toffoli门的方案。首先,利用单比特操作实现了两比特控制非门;其次通过同样的模型,借助于两个Hadamard门,利用N个原子实现了N比特Toffoli门,而N比特Toffoli门的操作时间并没有随着量子比特的增加而增加。它们有着共同的优点:信息全部编码在原子的基态上,有利于量子比特在实验中保持稳定;原子-腔的大失谐相互作用有效地抑制了原子激发态的自发辐射,所以原子自发辐射导致的消相干效应可以被忽略;当存在腔泄漏的非理想情况时,逻辑门的保真度能保持非常高。