量子计算研究量子叠加性原理和量子纠缠，是一门对量子信息进行制备，传输，存储，操控和读取的交叉学科。它可以完成经典信息操作无法完成或者很难完成的任务。其潜在的巨大应用引发了过去十几年来对量子计算的理论和实验研究。现今，可以在不同的物理体系中操控量子信息，如核磁共振，线性光学，离子阱，量子点，超导线路中的约瑟夫森结，腔量子电动力学等。每种方案各有优缺点，很难说哪种体系更有前途。但就目前而言，由于可以提供一个获得纠缠态和量子信息操控的近乎理想的平台，腔量子电动力学被认为是最有前途的方案之一。这也是本博士论文的主要研究动机。本论文致力于研究基于腔量子电动力学的量子信息，包括理论和实验两大部分。第一部分理论研究了腔量子电动力学量子信息的几个主要方面。第一章简要的介绍了量子信息科学和腔量子电动力学的背景知识。为了对量子信息科学有一个比较基本的理解，这里我们主要讲述了量子比特，纠缠，逻辑门操作等几个重要的概念。为了对腔量子电动力学有个初步的了解，我们首先考虑原子-光子的相互作用，这也是标准的Jaynes-Cummings模型，然后讨论了强耦合，弱耦合的定义，最后综述了当前可以进行腔量子电动力学研究的物理体系。第二章的重点是腔内原子态的制备和传送。作为两个典型的例子，我们首先介绍了如何制备光学腔内N个囚禁原子的Dicke态。即使在腔耗散存在的情况下，该方案保真度和成功几率均很高。然后描述了如何隐形传送一个腔内原子态至另外一个远距离腔内的原子内态上。第三章聚焦于量子计算的腔量子电动力学实现，这也是量子信息科学研究的核心课题之一。为此，我们提出了实现腔内光子-光子，光子-原子之间非经典逻辑门操作的几个方案。特别的，为了克服F-P腔量子计算的可集成性困难，在一系列的工作中，我们直截了当的建议利用回音壁模式光学腔来构建硅芯片上的量子硬件。在当前的实验技术水平下，该方案有很高的可行性，具有应用于大尺度的量子信息处理的潜力。这一系列的理论工作也促使我们两年前决定进行回音壁光学腔的实验研究。第四章则介绍了单光子光源。单光子光源在量子密钥分配，线性光学计算中有着重要的应用。为了得到高效易于操控的单光子光源，我们提出了两个方案，分别在微波和光波频段实现单光子态的制备。本论文的第二部分详细介绍了回音壁模式光学腔实验，这也是我们研究小组过去两年在该领域的主要进展。第五章首先简要介绍了回音壁模式的基本理论和耦合机制。由于在微米尺度上极高的品质因子，回音壁模式光学腔是当今进行腔量子电动力学实验研究最活跃的体系之一。本章中，我们讨论了两种回音壁的光学腔，即微球和微盘。为了有效的激发腔内的回音壁模式，我们使用光纤锥进行近场耦合，得到并能控制欠耦合，过耦合，临界耦合。第六章介绍了过去两年我们在变形腔研究中最主要的实验进展。变形腔研究是近几年以来，光学腔研究的热点之一。与美国俄勒冈大学Hailin Wang小组合作，我们发展了一种全新的制备变形光学腔的技术。该技术简单有效，得到的变形微球腔既支持高品质因子的回音壁模式，又有高度的方向性发射。根据该技术，我们可以实现直接耦合输入输出的低阈值激光器，单光子光源等。此外，与美国加州理工学院Lan Yang博士合作，利用变形腔中的方向性发射和模式耦合机制，我们直接得到了回音壁模式的侧向强度分布，与理论预测符合的很好。因为强度分布直接影响回音壁模式与外部的耦合强度，所以该结果对许多实际的应用有重要的意义，例如生物传感，腔量子电动力学等。第七章描述的则是我们最近的工作，可以命名为耦合腔量子电动力学(coupled cavity QED)。我们研究了包括N个周期耦合的回音壁模式光学腔结构，该体系内的相互作用表现出了一个只有在量子光学中才发生的现象：多极电磁感应透明。我们分析了其产生原因和实验可行性。如果耦合腔体系同时与偶极子相互作用，将会产生更多的有趣现象。我们与美国哥伦比亚大学Chee Wei Wong小组合作，共同研究了耦合纳米腔与量子点相互作用的机制。