量子热力学是量子力学和经典热力学的交叉学科,近年来引起了人们的广泛关注。量子热力学不仅可以在量子层面上检验宏观热力学定律,而且也可以指导设计具有特殊功能的量子热器件。本文主要以低维量子系统为研究对象,利用开放量子系统理论,线性算符微扰论和全计数统计方法,研究系统稳态时的热流及热涨落,从而设计具有不同功能的量子热器件。本论文由以下六章组成:第一章,首先简单回顾了量子力学的发展史,然后介绍了量子热力学和开放量子系统理论的发展近况。第二章,主要介绍了热力学相关的基本概念,量子热器件和量子主方程,以及处理量子热涨落的线性算符微扰论和全计数统计方法。第三章,利用Qubit和Qutrit强相互作用的量子系统设计了量子热三极管。该系统中,Qubit与Qutrit之间共振耦合,Qubit与控制端热库接触,Qutrit同时与受控端的两个热库相互作用。利用全局主方程研究该系统稳态下的热流,发现控制端的热流较弱而受控端的两个热流较强。尤其是当调节控制端热流不仅可以使受控端热流迅速增大,实现放大功能,而且可以使其连续地变大,实现调节功能,甚至可以使其断流,实现开关功能。此外还发现,热流对低温端热库温度的涨落不敏感,从而实现稳流功能。第四章,利用三个强相互作用的Qubit设计了多功能量子热器件。该系统中,三个Qubit共振耦合且每个Qubit与其对应的热库相互作用,形成量子热器件的三个端口。通过全局主方程研究其稳态下的热流,发现该量子热器件除可以实现对受控端热流的放大、调节、开关、稳流功能外,还可以通过调节控制端的热流使任意端口的热流断开,实现热阀门功能;特别是当移除受控端某个热库时,该量子热器件可以阻碍热流的逆向流动,实现整流功能。第五章,利用二重简并四能级量子系统设计了依赖于初态的量子热器件。该系统同时与一个控制端热库和两个受控端热库接触,其中一受控端热库（或控制端热库）激发二重简并能态与最低能态（或最高能态）之间的跃迁,另一受控端热库激发最高能态跃与最低能态之间的跃迁。利用全局主方程研究系统的稳态,发现选取适当的自发衰减率会导致系统稳态依赖于初始暗态,从而影响稳态热流。量子系统除可以通过调节控制端的热流实现对受控端热流的放大和开关功能外,还可以通过高温热库做功从低温热库提取热量释放到室温热库,实现对低温热库的制冷。此外利用全计数统计方法和线性算符微扰论研究系统在长时极限下的热涨落。发现热力学不确定性关系和Fano因子与初始暗态和时间密切相关,初始暗态布居数决定了热涨落是否依赖于时间;暗态布居数可以增大超Poisson分布的窗口,使探测的光子更倾向于超Poisson分布;虽然长时极限下热力学不确定性关系依赖于初始态和时间,但其仍然保持成立。第六章给出总结和展望。