量子信息由于其独特的性质和强大的信息处理能力受到了越来越多的关注,而固态自旋量子体系与光子耦合的方案,集合了自旋比特相干时间长且易集成和光子操作灵活的优势,成为量子信息中的热门候选方案。本文针对固态量子自旋体系与光子耦合方案,对其理论模型和具体应用进行分析与模拟计算,主要探讨了两个方面内容:一是利用光子对自旋量子比特进行测量,包括色散测量,测量动力学研究,以及实现快速高保真测量;二是建立量子架构,包括以自旋-光子模块为基本单元构建量子网络,片上自旋量子纠缠的测量与制备,和用稀土晶体中的自旋制备量子通信中多功能节点。本论文主要内容有:1.概括介绍了量子信息的研究背景,对本文中经常使用的一些量子概念进行简要说明,同时列举了固态自旋体系的一些物理实现方案,另外还阐述了量子架构中的网络架构。2.以S-T0自旋量子比特为例,设计了利用光子对自旋量子态进行测量的方案。利用主方程与运动方程对演化过程进行模拟计算,展示了在不同外部磁场与交换能的情况下,自旋比特谱的变化。同时研究了在不同逻辑门的操作下,测量信号的改变情况。3.进一步研究了自旋量子比特测量的动力学,通过调节自旋比特的门控电压与隧穿速率,实现了横向耦合与纵向耦合的调控。分析了系统演化过程中的退相干和读取过程中的信噪比。使用运动方程数值模拟了在不同参数时,系统随时间的演化情况,我们发现通过调节工作参数,可以得到读取测量的最佳工作点,提高了测量的效率与保真度。4.介绍了我们设计的一种新的测量方案,通过调节测量微波的强度与自旋量子比特频率的变化,将测量过程分为获取、色散、释放三个阶段,在极大缩短了测量时间的同时,也实现了高保真度的测量。除此之外,这套方案还可以用来获取自旋量子比特的噪声谱,对了解与抑制退相干有极大帮助。5.从自旋-光子基础模块出发,通过设计自旋量子比特的驱动脉冲,实现了可控波形单光子的制备。利用单光子作为“飞行比特”,完成了不同节点模块之间的确定性量子态转移和纠缠态的制备。我们发现,无论是量子态转移过程保真度还是纠缠保真度,都可以很好地达到纠错协议的阈值,满足了构建量子网络架构的指标与条件。6.分析了两自旋量子比特与谐振腔耦合的模型,设计了宇称测量过程中的微波驱动脉冲,利用随机主方程模拟计算了系统的演化,成功区分了自旋量子比特的不同宇称态。此外,宇称测量还实现了片上自旋比特Bell态的制备,通过对结果施加一个反馈调节还可以获得确定性纠缠态。7.从稀土掺杂离子出发,由于其独特的性质,设计了一种多功能量子通信节点,并提出了构建量子网络的方案,包括电子自旋纠缠、电子自旋与核自旋的态转移、纠缠态纯化、构建网络四个步骤。同时对此量子网络架构进行了重要参数的评估与原理验证实验方案的设计。本论文主要创新有:1.利用自旋量子比特与光子耦合体系,实现了自旋量子比特谱与逻辑门操作的色散测量,为自旋比特测量提供了一种新的思路。2.实现了自旋量子比特与光子之间的可调控耦合,详细分析了测量过程的动力学,通过调节参数找到了最佳测量点,有效提高了测量质量。3.新设计了一种测量微波脉冲,有效避免了 Purcell效应,实现了自旋量子比特快速且高保真度测量,对量子纠错等的实现有重要意义。4.以自旋-光子模块为基本单元,实现了不同节点之间的量子态转移与纠缠态生成,更进一步,构建了可扩展的量子网络架构。5.设计了两自旋量子比特与谐振腔耦合模型,利用宇称测量实现了片上自旋量子比特之间的确定性纠缠制备与测量。6.以稀土掺杂离子的自旋作为多功能节点载体,提出了一种构建量子网络架构的新方案,并对此设计了原理验证实验,推进了量子网络通信的研究。