量子信息科学是量子力学的基本理论在信息科学领域中的应用与延伸,研究安全的量子通信和可靠的量子计算是量子信息科学的主要内容。本博士论文主要研究基于光学腔量子电动力学系统的量子纠缠纯化与浓缩,普适的量子逻辑门和无退相干子空间中的量子信息处理,取得了一系列创新成果:一、基于耦合的腔-原子系统和相干态的腔输入-输出过程,我们提出了一个有效的原子纠缠纯化方案。通过相干态的腔输入-输出过程,通信双方可以分别构造两比特宇称校验模块,并利用宇称校验测量从初始的混合纠缠系综里提取出高保真度的原子纠缠系综。这一过程也可以直接用于未知原子态的纠缠浓缩,即从非最大纠缠的原子系综里提取出最大纠缠态。同样利用宇称校验测量,我们提出了一个改进的原子纠缠浓缩方案,其基本思想是引入辅助单原子。与已有的一些基于腔量子电动力学的理论方案相比,我们利用了相干态而不是单光子作为数据总线,且相干态的腔输入-输出过程工作在原子-腔场的中间耦合区及低Q腔条件下,很好的满足了鲁棒性要求和可扩展性要求。此外,宇称校验是基于相干态的强度测量,与单光子测量相比具有更高的效率且在现有的实验条件下容易实现。因此,我们提出的原子纠缠纯化与浓缩方案具有较高的实验可行性。这一工作中使用的模型与方法还可以进一步用于实现理想纠缠浓缩,可扩展量子计算,多体纠缠浓缩等其它量子信息处理任务。二、研究并提出了基于氮-空位色心(N-V色心)与微环芯腔耦合系统的纠缠浓缩与量子门方案。针对纠缠浓缩,我们分别提出一个针对N-V色心部分纠缠Bell态及GHZ态的纠缠浓缩方案,和一个针对N-V色心部分纠缠W类态的纠缠浓缩方案。这两个方案利用了相似的思想,与已有的纠缠浓缩方案相比具有很多优点。所有这些优点很大程度上降低了方案实验实现的难度,增加了方案的实验可行性和实用性。另一方面,针对量子门,我们研究了如何利用N-V色心与微环芯腔耦合系统这一新颖的可扩展固态系统来构建非局域多比特门,提出了一个实现非局域多比特控制相位门的理论方案。这一方案的物理实现过程非常简单,可以用于量子网络中不同节点间的量子逻辑门操作以及量子纠缠分发等量子信息处理任务。三、基于氮-空位色心与光学微腔耦合系统,提出了无退相干子空间中cluster态的制备与浓缩方案。方案中使用的复合系统在目前的实验条件下是一种潜在而实际的模型,非常适合于在单向量子计算中系统的制备逻辑量子比特纠缠的cluster态。进一步结合针对逻辑量子比特纠缠cluster态的理想纠缠浓缩方案,可以有效的实现最大纠缠态的非局域相干保持。与之前基于原子系统的理论方案相比,我们使用的复合系统有助于稳定系统的耦合强度,且逻辑量子比特纠缠门的构造更为简单。