量子信息科学是上个世纪90年代中期兴起的物理、数学、计算机科学和工程学相互交叉的新兴学科。随着科学技术的飞速发展,电子元器件的尺寸越来越小,但是摩尔定律所预言的增长速度在近十年将会遇到瓶颈,预计2020年元器件的尺寸将达到10几纳米的量级,这时一直以来统治经典信息世界的传统的经典力学将面临失效。当电子和原子产生的量子效应起到主导作用时,我们必须采用新的物理原理,如量子力学来进行描述。借助于量子力学的假设,量子信息有一些新特性,如量子态的线性叠加性和纠缠特性,它们在实现信息的计算、传输和存储等方面会优于经典信息。由于量子态的线性叠加性的存在,量子计算可以实现并行处理,大大提高运算速度,同时禁止了任意量子态被克隆的可能性,确保了量子密码的安全。由于纠缠特性的存在,可以完成隐形传态,密集编码以及远程量子态制备。量子信息科学有很多的优点,人们希望利用这些优点制造出功能强大的量子计算机,但是在迈向实际应用的进程中存在很多困难。比如,量子信息处理在光学系统、离子阱、量子点、超导电路等量子系统中有很大的发展,实验上可以实现对几个量子比特的操作,但是我们不知道到底在什么样的物理体系中可以实现包含成百上千个量子比特的量子计算机。这主要是量子比特与外界环境的耦合作用破坏了量子相干性和纠缠,当量子比特数目增多时,量子耗散越来越严重,无法完成量子操作。在这篇论文中,我们围绕基于量子点和自旋链的量子信息处理的若干问题展开研究,主要讨论了如何在量子点系统中制备多比特相位门、实现两体稳态纠缠,以及自旋链中的量子态传输的物理实现,并着重分析这些过程中存在的耗散对量子计算和量子态传输的影响。对于量子耗散,可以设计耗散辅助的方案来实现态制备,或者采取动力学退耦合脉冲序列来抑制体系中的耗散。具体地：1.制备基于量子点系统的三比特相位门原理上,实现单比特旋转和两比特非局域门,就可以完成普适的量子计算。但是为了简化量子计算机的电路,研究多比特非局域门是相当重要的。利用量子点系统中天生的库仑相互作用,可以在激光的作用下一步实现三比特受控相位门。这个方案要求三个耦合的量子点具有相同的能级结构,并且每个量子点被注入一个外加电子,量子比特编码在量子点的外加电子自旋上。这个方案的优点有：(1)全光学控制；(2)无需对单个量子点独立寻址。我们考虑了位型、自发辐射和声子对方案的影响。我们发现温度和量子点阵列的位型是影响三比特相位门的保真度的主要因素,并且最佳的量子点位型是选择激光与线性排布量子点的低能级的单激子态共振。研究多量子比特排列的位型对量子计算的影响,为未来实现基于量子点的多比特量子计算提供了工艺和实验条件的理论指导,为未来的复杂的集成运算提供了参考。2.耗散辅助下量子点系统中的稳态纠缠的制备方案一般来说,环境噪声是量子计算和量子通信的头号大敌,它破坏量子纠缠和量子操作的相干性。但是通过对量子系统的相干控制和量子噪声通道的精心选择,可以把耗散转化成一种资源。在这个工作中,我们利用光学泵浦的方法,在耗散的帮助下,系统经过一段时间演化到系统的暗态上,如果这个暗态是纠缠态,那么我们就实现了稳态纠缠的制备。这个方案的优点是：(1)无需初始化,因为这个方案可以同时完成初始化和纠缠制备；(2)产生确定性的纠缠,纠缠不需要通过测量手段生成；(3)生成的纠缠是稳定的态,不需要在实验中精确控制激光和量子点的耦合时间。我们也考虑了声子和电子隧穿对方案的影响,发现最重要的耗散是由InAs/GaAs量子点中的形变声子引起的。3.无序噪声对基于量子点阵列的量子态传输的影晌我们分析基于量子点系统的量子态传输。量子点系统的电子自旋会受到周围体材料的核自旋的影响,引起超精细相互作用,对量子态传输有很大的破坏性。超精细相互作用可以用一个三维的有效磁场来模拟,但是当我们考虑对任意单比特纯态的量子态传输的平均保真度时,我们可以把超精细相互作用看做个静态的无序噪声,并且这个噪声使得系统的激子数守恒性遭到破坏,我们必须分析全Hilbert空间。同时,我们分析了量子点内由于量子势垒的控制引入的交换相互作用涨落,这是一个依赖于时间的1/f噪声。我们发现超精细相互作用对量子态传输的破坏是主要的。4.提出一种基于强关联系统的新型态传输方案自旋链基于自旋之间的相互作用,可以作为一种天然的在原子量级的量子态传输信道。传统的量子态传输方案是将载有已知或未知的量子态信息的粒子外接入量子信道,借助动力学演化将信息传到信道的另一端。在这种态传输中,起作用的不是固有的纠缠,而是基态的对称性和系统的哈密顿量。在具有短程纠缠的强关联系统中,系统自身不能够直接传递一个未知态,或者远程制备一个已知态,或者实现密集编码。但是我们发现利用动力学演化,将信息通过局域操作的形式编码到信道的第一个粒子,经过一段时间后,测量末两个粒子可以完成经典信息和量子信息的传输。这个方案在没有长程纠缠的条件下,可以实现类似密集编码和类似远程态传输。5.动力学去耦合方法在耗散辅助非经典态制备中的应用系统与环境耦合引起的耗散一般来说是破坏量子系统相干性的重要因素。人们发现精心设计的耗散过程可以作为量子信息处理的资源,例如利用耗散辅助生成有效的非线性相互作用来制备非经典态。但是在非经典态制备过程中,仍然存在一些不受欢迎的耗散限制了非经典态的保真度。动力学退耦合的方法,它可以有效抑制耗散保持量子比特相干性,我们将动力学退耦合方法与耗散辅助的非经典态制备方案结合起来,发现非经典态的保真度可以大大提高。