量子纠缠是量子信息科学最基本的资源。如果没有它,就没有量子信息这门学科的存在。因此,量子纠缠在量子信息科学中起着十分重要的作用。量子计算不仅是量子信息科学中最具挑战性的研究领域,而且是引发量子信息科学大量研究的最初动因。而囚禁离子和腔QED是能将量子纠缠和量子计算理论进行实验验证的两个重要的物理实验系统,它们在量子纠缠和量子计算的研究中扮演了十分重要的角色。因此进一步研究基于这两个物理系统的量子纠缠和量子计算具有重要的理论和实验意义。本文的主要研究内容如下:1.基于囚禁离子物理系统,利用激光与多能级囚禁离子的相互作用,提出了一个实现四维(ququadrit)空间量子计算的方案;利用双色场与囚禁离子相互作用,提出了一个组合式实现量子可控非门的激光脉冲序列。2.基于腔QED物理系统,利用多光子相互作用,提出了基于压缩算符实现非常规几何量子计算的方案;利用激光与原子的共振相互作用,提出了实现强场驱动下的几何量子逻辑门方案,并详细考虑了腔场衰变对几何量子计算的影响;利用单光子共振相互作用,提出了实现高保真度的量子Toffoli门的方案。3.提出了基于腔QED的强场驱动下制备介观量子态(包括相干态和压缩相干态)纠缠、在微波腔和光腔中基于单光子相互作用实现W纠缠态和利用大失谐相互作用模型提出了量子纠缠态存储和保持的方案。