超导量子比特作为一种参数可控的人造原子,是构建超导量子计算机的基本单元,同时也是一种优异的片上量子光学效应研究平台。要实现超导量子计算,就需要对单量子比特的特性以及多量子比特的耦合系统进行全面研究。本论文以超导三维传输子量子比特为基础,介绍了仿真计算、工艺制备、特性测试等方面的工作,系统而全面地研究了这种腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics,CQED）系统的能谱结构特性、退相干特性以及单比特量子门操作等问题,同时构建了两比特耦合系统,利用耦合系统研究了两比特量子门操作相关问题。论文首先介绍了超导传输子量子比特的双角度蒸发法制备工艺流程,对图形边沿缺陷、约瑟夫森结结区定义、氧化参数控制等相关重点工艺问题进行了详细介绍分析。本论文工作在蓝宝石衬底上制备了多批次不同参数条件的量子比特样品,对制备的量子比特样品首先进行了基本能谱结构的表征,包括系统单光子和多光子跃迁过程、光子数劈裂效应、ac-Stark效应等,然后对系统第一激发态以及高能级的时域退相干特性进行表征,并实现了x轴和y轴独立的单比特量子门操作,同时利用Clifford基随机基准对各个单比特量子门操作保真度进行了标定测试。利用超导传输子量子比特和谐振腔的耦合系统,本论文重点研究了这种人造原子和谐振腔组成的CQED系统中的Aulter-Townes Splitting（ATS）效应和电磁感应透明（electromagnetically induced transparency,EIT）效应。利用Born-Markov主方程理论和赤池信息准则（Akaike Information Criterion,AIC）,详细地分析研究了不同退相干特性和控制场条件下,系统在ATS效应和EIT效应之间的过渡转化。同时,论文还研究了这种耦合系统中量子比特与谐振腔之间的可控相干作用,当量子比特退相干速率远小于谐振腔退相干速率时,该效应可以实现非常好的EIT现象,并且该可控相干作用也可以实现两者之间的可控耦合。在对单量子比特测试表征的基础上,本论文利用单个三维空间谐振腔将两个传输子量子比特进行了耦合,测试了两比特耦合系统的能级跃迁特性,得到了相互作用的能谱免交叉结构,并且以ac-Stark效应实现了快速的两比特态交换过程,同时还利用|00|→|11|的双光子跃迁实现了该过程的类拉比振荡,该过程也可以构建两比特量子门。