寻找可编码、易操控和相干时间较长的可靠物理系统,是实现量子信息处理的一个重要挑战。极性分子兼具中性原子和囚禁离子的优势,可以保持较长时间的相干性,并且存在长程可调谐的偶极-偶极相互作用。此外,极性分子丰富的内部能级结构,可用于编码更多的量子信息,而较大的永久电偶极矩则使其更容易受外场调控。因此,极性分子可以被当作量子信息处理中一种有前景的物理载体。近几十年来,人们在冷分子的制备、囚禁与操控等领域取得了令人瞩目的成就,为极性分子量子信息处理的实现打下了基础。量子纠缠与量子相干作为至关重要的量子资源,在量子通信和量子计算等方面有着广泛的应用。本文以静电场中极性分子的摆动态为量子比特,旨在研究极性分子系统的量子纠缠、量子失协以及量子相干性等非经典效应,并探索分子可扩展量子计算的可行性。考虑到一般的物理系统无法完全孤立于外部环境,进而分析环境噪声对分子系统动力学行为的影响。结合最优控制理论,通过数值模拟,尝试实现一些基于极性分子摆动态的多比特量子逻辑门和量子算法。此外,我们还初步探讨了相对论框架中量子存储辅助的熵不确定关系和量子纠缠。本论文的研究内容主要包括以下四个部分:1.偶极耦合的超冷极性分子的量子关联与量子相干,及其内稟退相干过程研究。通过求解静电场中极性对称陀螺分子的哈密顿量,首先选取合适的摆动能态作为量子比特。然后考虑偶极-偶极相互作用,探讨耦合陀螺分子的量子关联和量子相干性与静电场、环境温度以及偶极-偶极相互作用之间的变化关系。结果表明,量子纠缠与量子失协都与电场强度成反比,与偶极耦合强度成正比,并且会被较高的环境温度破坏。但系统的相干性与电场的函数关系并不是单调的,而是随电场强度先增加再减少。通过求解Milburn方程,发现陀螺分子系统初态为（|01>+|10>）/（?）时比初态为（|00>+|11>）/（?）时的鲁棒性更强,可以更好的抵御内禀噪声。另外,虽然陀螺分子系统纠缠和相干的含时演化趋势颇为相似,但当纠缠完全被噪声破坏时,系统的相干性仍然可能存在。此外,还对线性极性分子系统的EPR steering进行了研究,发现线性分子之间的导引能力与陀螺分子系统的量子关联具有一定程度的一致性。2.利用优化控制理论实现极性分子系统的纠缠和相干调控以及三比特量子计算。以静电场中偶极耦合的BaI分子摆动态为例,借助最优控制,设计出合适的激光脉冲,驱动Bal分子系统从基态向处于最大纠缠的Bell态（|00>+|11>）/（?）和（|01>+|10>）/（?）进行转换。接着将目标态设为最大相干态1/2（|00>+|01>-|10>+|11>）,经过优化获得相应的控制脉冲,提高了系统的相干程度。此外,纠缠态与相干态之间的相互转换也可以通过设计最优光场来实现。随后,将最优控制理论推广到多个目标态的情况,并考虑相位约束,以三个链状排列的SrO分子为载体,设计控制光场,一步实现三比特Toffoli门,量子加法器和量子Fourier变换。最后,还优化出Hadamard门,Oracle门和Diffusion门组成的激光脉冲序列,成功地模拟了三比特Grover搜索算法。3.光场驱动下的偶极子系统在有限温噪声环境中相干性与熵不确定关系的演化。结合量子相干资源理论与量子存储辅助的熵不确定关系,可以得到基于多次测量的单边相干不等式。首先考虑偶极子系统处于有限温噪声环境,并与外部辐射场相互作用。通过解主方程,得出了系统相干不等式上限和下限的含时演化。结果表明,有限温环境中偶极子系统的单边相干性会随时间的增加而逐渐降低,并且光场的失谐会导致演化行为的多次振荡,而振荡过程可以通过Rabi频率进行调节。此外,还研究了偶极子系统熵不确定关系和concurrence的演化。通过对比可以发现,系统的相干性越低,熵不确定度就会越高,其内在原因是偶极子之间的量子纠缠在演化过程中遭到破坏。4.相对论背景下量子存储辅助的熵不确定关系和纠缠的动力学演化及调控。量子信息论与广义相对论、量子场论、以及弦论等理论的交叉融合,不仅可以完善量子理论本身,还可以促进对时空观念以及定域因果律的理解。假设被测粒子位于渐进平直时空,量子存储位于Garfinkle-Horowitz-Strominger膨胀黑洞附近,进而探索了黑洞膨胀对量子存储辅助的熵不确定关系的影响。结果表明,随着膨胀参数的增加,黑洞视界外部区域可获得的熵不确定度单调上升,黑洞视界内部区域不可获得的熵不确定度单调下降。这一过程中被测粒子与视界内外两种波模之间的量子纠缠进行了重新分配,但系统的纠缠总量保持不变。此外,借助弱测量反转操作,可以实现部分纠缠态熵不确定关系的调控。通过选取合适的反转测量强度,物理可获取的熵不确定度被有效降低。