量子信息学自从上世纪八十年代诞生以来就一直是科研领域的研究热点，量子信息学旨在利用量子力学中量子态的叠加、相干、纠缠等特性，对传统信息学领域中信息的加密、传送、计算等方面进行量子化的处理，以实现量子密钥分配，量子隐形传态，量子计算等传统信息学难以实现的信息处理目的。用以量子信息处理的物理载体有很多，其中腔QED系统利用光子与原子的相互作用进行量子信息处理。由于原子、光子的寿命远大于其相互作用时间，因此该系统具有很好的抗退相干性，几十年来无论在理论还是实验上都得到了广泛的研究。尤其是近年来具有超高品质因子腔的成功研制，使得腔QED系统成为未来量子信息处理实用化最有潜力的候选者之一。另一方面，受系统寻址、抗干扰性等实际信息处理过程的需要，将多个腔体进行耦合以实现分布式信息处理是未来量子信息处理的一大趋势，因此本文的主要工作就是基于耦合腔QED系统进行展开的。我们分别讨论了如何利用耦合腔QED系统进行量子态制备、量子态转移和实现量子逻辑门。全文共七章，其中第四章到第七章为我们的主要研究内容，具体章节安排如下:　　第一章主要介绍了量子信息的研究背景及具体应用，同时对本文的具体物理载体——腔QED系统作了简单介绍。　　第二章主要对量子信息的基础知识进行了介绍，包括量子力学绘景、量子比特、密度算符与矩阵、量子逻辑门、量子纠缠和保真度。　　第三章我们主要介绍腔QED系统方面的理论知识，包括Jaynes-Cummings模型、短光纤近似理论以及与外界环境耦合下的哈密顿量模型。　　第四章我们提出了两种基于不同的十字架耦合腔结构一步实现三粒子之间GHZ态制备的方案。与之前的方案相比，这两种方案的优势在于其制备步骤比较简单且高效，尤其是第二种方案可在一定程度上等同于在一个腔中制备二粒子纠缠态，而这在实验上早已实现。　　第五章我们提出了基于腔-光纤-腔架构利用原子与腔场的共振相互作用进行三维量子态转移的方案，并与采用大失谐的方案进行了对比，我们发现在同一耗散条件下该方案的保真度要好于大失谐的情况，并且相互作用时间也大大缩短。同时，利用冻结原子能级的办法该模型还可用于实现量子相位门，提高了灵活度。另外也对原有大失谐的方案进行了一定改进，可一次传送二个原子的二维量子信息。　　第六章我们提出将原子系综代替原子并利用大失谐过程在腔-光纤-腔架构下实现三维量子态转移的方案。该方案既克服了共振方案中原子自发辐射导致的保真度的损失，又减少了大失谐方案下的相互作用时间，降低了光子泄露的损耗，提高了保真度和态转移效率。同时我们提出了一种实现系综之间三维最大纠缠态的方案，该方案填补了腔QED系统中制备系综间高维纠缠态理论方案的空白，且该方案的保真度在目前的耗散条件下可接近高保真。　　第七章我们考虑到腔QED等其他系统在纠缠态制备上正逐渐从微观到介观甚至宏观方面发展，我们通过设计一种纠缠模型并以具体以原子团为例，讨论了其作为整体处于纠缠态时其子系统或粒子之间的纠缠情况。该研究不仅考虑了具体的纠缠情况，更提供了一种研究量子纠缠的新思路，因此具有较高的前瞻性和重要的意义。同时在初步讨论的基础上，我们也展望了一些未来的研究内容和方向。