信息科学是研究信息运动规律和应用方法的科学,近30年来,信息科学与量子力学相结合而兴起的量子信息科学受到了广泛的关注。量子信息科学由于一些新奇特性,比如量子态的不可克隆性、线性叠加性、纠缠特性等,使其在量子计算、量子信息、量子度量等方面显示出十分广阔技术应用前景。量子计算机的并行处理能力使其计算速度远远快于经典计算机,在密码破解、量子搜索等方面展示出了巨大的潜力。量子信息利用量子态不可被克隆性、纠缠特性等特点已经在量子密码、量子通信等实用化领域取得了重大的进展。测量高精度物理量的需求推动了量子度量学的发展,在量子时钟和引力探测等领域的研究也越来越热,在有些领域已经突破了经典物理的极限,正在向着海森堡极限逼近。量子信息科学的优势吸引着人们寻求各色各样的信息载体来实现量子计算机。量子计算机在物理实现上需要考虑各种折衷因素,在离子阱、超导电子电路、线性光学、腔量子电动力学装置和分子核磁共振等系统中已经取得了很大的进展。但是实际量子物理体系中会有各种各样的耗散,而且量子比特数目越多耗散会越严重。幸运的是有些体系在某些方面的优势非常明显,因此混合物理系统也受到了越来越多的关注。腔光机械系统在量子信息存储、量子混沌、波长转换等方面有很大的潜在应用前景,特别是其与原子或者量子点等耦合形成的混合物理体系,更是近年来研究的一个热点。腔量子电动力学（C-QED）是研究原子和光学模式之间相互耦合的一个重要领域。在高品质因子的光学腔中,光子与原子可以进行多次相互作用,实现原子与光场很强耦合,从而制备自旋压缩态（SSS）用于量子度量。在本篇论文中,我们首先简要介绍量子信息科学的一些基本知识,讨论了腔光机械系统和腔量子电动力学装置。对于腔光机械系统,我们研究了该系统一些基本性质和应用,还分析了其与量子点耦合形成的混合物理体系、单光子和双光子的输入输出、声子激光。对于腔量子电动力学装置,我们就制备自旋压缩态方面做了详细的讨论,主要包括以下几点：在腔压缩体系中通过失谐来加强自旋压缩；在氮-空穴（NV）色心体系中基于几何相位通过声子诱导自旋压缩；通过连续驱动NV自旋链产生压缩稳态。具体内容为如下四个方面：1.腔光机械系统研究腔光机械系统是实现量子通信和量子计算一个非常重要的系统,里面有丰富的物理现象和很多潜在的应用。我们在光机械诱导透明、布里渊散射诱导透明以及非互易光存储等方面做了一些简单的讨论。在光机械与量子点耦合形成的混合物理体系中,我们发现了真空腔诱导透明现象,从强弱耦合两个角度做了详细的分析。此外,我们还将经典控制光与真空腔诱导下的透明现象做了对比。最后,为了能更好地理解诱导透明现象,我们在一般三能级原子体系中,通过非相干控制实现了电磁诱导透明（EIT）与Autler-Towns劈裂（ATS）的相互转换,并对两者做了区分。在光机械的输入输出研究中,我们得到了在平方耦合的情况下单光子的输出谱,其展现出声子偶数激发的特点。以此为基础,我们进一步研究了在实空间下双光子的输入输出情况。对于声子激光,我们提出了几个可行的实现方案。2.失谐加强腔自旋压缩我们理论上详细讨论了实验上已经实现的腔自旋压缩方案中各个参数对自旋压缩的影响,与近共振的方案相比,我们发现失谐可以将腔压缩度从原来的S一2／5大幅度提高到S-2/3,其中S是总自旋数。此外,我们还发现原子和腔之间弱的相互作用和大失谐可以加强原子系综的自旋压缩。解析结果表明,自旋压缩来源于由激光驱动诱导的与自旋态相关的几何相位,因此在这里大失谐非常重要。对于实际的物理系统来说,一些噪声是不可避免的。我们分析了由于原子拉曼散射对自旋压缩所产生的影响,结果表明通过合适的失谐可以优化自旋压缩。大失谐激光驱动使进入到光学腔中的有效光场减少,因此需要更长的时间才能达到最优的压缩。在这种情况下,单自旋退相干不得不考虑,我们发现更强的驱动光可以有效的减弱这种噪声对自旋压缩的破坏。大失谐激光驱动也有可能激发光学腔的其他光学模式,我们对多模式光场与原子系综的耦合也做了详细的讨论,发现其它光场模式对自旋压缩的影响完全可以忽略。最后,我们将实验上可实现的参数代入方案中,其结果说明通过失谐的调节来加强自旋压缩在目前的实验条件下很容易实现。作为产生自旋压缩的一个补充,基于此方案我们对通过测量来实现非经典态也做了一些讨论。3.氮-空穴（NV）色心体系中基于几何相位的声子诱导自旋压缩我们提出了一个通过单机械模式诱导几何相位的方案来实现自旋压缩,在这里NV链散射耦合到单机械振子上。几何相位由于其自身的属性,对声子的初态非常不敏感,这是实验上一个非常重要的优势。我们研究了在不同的热噪声和机械品质因子（Q）下的自旋压缩性质,结果表明完美单轴压缩可以在热噪声和机械品质因子合适的比值下实现。在实际的物理体系中,NV链会与一些热库耦合,这种耦合引起了退相干,因此对自旋压缩产生了破坏。我们通过动力学退耦合脉冲序列来抑制这种热库对自旋压缩的影响,在高品质因子的金刚石氮-空穴自旋链中,我们可以实现完美的单轴自旋压缩。最后,我们还提出了一些实验上可行性的方案,还对一些实验上已经实现的参数做了一些分析,结果表明我们提出的方案在目前的实验条件下是可行的。4.通过连续驱动氮-空穴（NV）自旋链产生压缩稳态在NV自旋链全同地耦合到同一个光学模式的系统中,我们提出了通过连续光驱动NV自旋来产生自旋压缩稳态的方案。在满足一定频率匹配的条件下,我们通过旋波近似得到了系统的有效哈密顿量。该有效哈密顿量表明集体NV自旋暗态的存在,通过对这种暗态的研究,我们发现该暗态就是自旋压缩态。这种自旋压缩态可以通过光场的耗散方式来制备,因此耗散在这里成为了相干的来源。我们研究了在驱动光不同频率和强度下自旋压缩稳态的情况,频率越大满足旋波近似的条件越好,自旋压缩的动态波动越小,压缩也越好,但是其最后趋于稳定的压缩完全取决于驱动光的强度。此外,我们也分析了光子噪声对压缩的影响。最后,我们讨论了这种方案在频率失配下的自旋相变现象。