随着量子信息学、量子热力学以及量子光学等学科理论的快速发展，人们认识物理现象（特别是热现象）已经更多地从宏观层面转向了微观层面。经典热力学中热机的概念也被拓展到了量子力学领域。量子热机是人们探索量子系统热力学特性的重要手段。它也为人们从微观层面揭示宏观热力学现象背后隐藏的物理本质提供了有效的途径，对促进量子热力学理论的建立和完善具有举足轻重的作用。在本文中，我们将主要借助于量子热机模型来研究一些与之相关的量子力学、信息以及热力学方面的问题。在第一章中，我们回顾了近些年来与麦克斯韦妖相关的一些热力学问题；分析了量子热机的发展现状与研究意义。在第二章中，我们主要介绍了与本文相关的一些基本概念和规律，如热力学第一和第二定律、香农熵与冯纽曼熵、量子相干和量子关联（包括量子纠缠和量子discord）等；给出了经典的Szilard热机模型和腔场量子电动力学模型的基础知识。在第三章中，我们回顾了量子Szilard热机并对其作了全量子化分析。基于两套不同的热力学循环方案，研究了量子Szilard热机的热力学特性。我们发现：量子Szilard热机从单一热源提取功的多少依赖于系统的微观信息和循环方案，而系统的宏观信息则扮演了一个类反馈控制器的角色，对功的提取量没有任何影响。首次展示了系统的微观信息与宏观信息在量子Szilard热机中扮演着不同的角色。最后，我们讨论了在经典极限情况下（即阱宽趋于无穷大或库的温度取高温极限）量子Szilard热机的热力学行为。我们发现在经典极限情况下量子Szilard热机将退化为经典Szilard热机。在第四章中，我们基于单个粒子束缚于一维无限深方势阱中的力学模型，构造了一个非平衡量子奥拓循环（NQOC）。分别以二能级系统和无穷多能级系统为热机的工质，讨论了NQOC的热力学特性。通过与T. D. Kieu等人所讨论的传统量子奥拓热机相比，我们发现：热力学循环过程中的负熵可以导致NQOC产生许多有趣的特征：1）可以提取较多的功且保持较高的效率；2）NQOC可以从单一热源提取功；3）在特定的情况下，NQOC能够将吸收的全部热量转化为有用功。我们充分展示了负熵可扮演热力学循环效率源的这一重要的物理意义。最后，我们也推导了经典极限情况下NQOC的效率并发现其与经典奥拓循环的效率完全吻合。在第五章中，讨论了多粒子非平衡库的量子相干和量子关联对系统做功能力的影响。推导了系统演化的量子主方程并给出了系统的稳态解。通过解析与数值模拟方法，清楚地展示了影响系统做功能力的源是库的量子相干而非量子关联。最后，在第六章中，我们对全文进行了总结并对未来研究方向作了展望。