网络的诞生让人类的生活更便捷和丰富,从而促进全球人类社会的进步,随着量子力学和信息科学的交叉学科——量子信息的蓬勃发展,人们开始构想未来的全量子网络的美好情景,并开始着手深入研究。全量子网络指由量子传输通道和量子节点组成的信息网络。量子传输通道能够在节点间传输任意量子态以及量子纠缠,而每个节点要有足够强大的量子信息存储和处理功能。单个量子节点构成量子计算机,而量子通道则连接不同的量子计算机。目前已有理论研究工作表明,全量子网络在信息安全、分布式量子计算和新材料量子仿真等领域有重要的学术研究意义与应用价值。但全量子网络的物理实现要求对量子态有极强的操控能力,目前它仍然是人们一个巨大的挑战。因此,本人把量子网络的物理实现作为博士学位论文研究的课题。主要工作包含以下几个方面:1、量子态的存储、转移和交换一个实现单光子极化态可标记的存储方案。在我们方案中入射的光子只是与原子交换信息,而不是被吸收,因此,可以通过探测光子实现可标记的存储,这种储存技术可以用来实现节点间可标记的量子态的转移和交换。在这个方案中,存储和复原光子极化态都有很高的保真度。在实际应用中由于光子的丢失包括原子的自发辐射,被量子通道吸收,光子收集等造成的操作错误都引起光子探测器没有响应。因此,光子丢失只会减少成功的概率,而不会降低保真度(只有当光子有计数时才有记录)。这种判断操作成功与否的能力在实际的量子网络应用中是至关重要。2、单光子源、多光子纠缠源和长程量子纠缠分布基于单原子和原子系综实现单光子源、多光子纠缠源和长程量子纠缠分布的实现方案。在我们方案中,两个光腔被一个短光纤连接,单原子和原子系综囚禁在不同的光腔中分别作为控制比特和储存比特。决定的可储存的单光子源,多光子纠缠源可以通过绝热演化得到。我们还进一步运用它们提高长程纠缠分布的效率。归因于原子系综的集体干涉效应,腔的强耦合条件可能被放松。因此,这个方法提供了另一个实现量子网络的途径。3、基于多比特几何相位门的量子计算基于多比特几何相位门的量子计算方案。在一定的条件下,原子激发态占据的概率很小,同时腔场一直处于真空态,因此无论是原子的自发辐射还是腔泄漏的影响都被大大的抑制。N比特(N≥2)几何相位门可以一步实现,其所要求的时间不会随着原子的数目的增加而增大。因此,我们的方案在量子算法运用几何相位门时有利于减少实际操作数目。4、可扩展的量子计算一个基于二能级系统囚禁在一个二维的耦合腔中实现可扩展的one-way量子计算方案。在这个方案中,经过腔场量子态在相空间相干的移动之后,囚禁在紧邻腔中的两个qubit才会快速地积累一个非平凡的相位,这个性质可用于在短时间内快速地实现一个二维的团簇态。我们在实际的系统中讨论了这个方法。我们的方案可能适合于那些光子在腔中有很长的相干时间的固态系统,这样制备一个二维团簇态可以在一个短的时间内完成。