光与物质之间的相互作用是量子光学的重要内容。近些年来量子信息得到了飞速的发展。利用量子光学手段实现量子信息过程是很热门的话题。腔QED(cavity quantum electrodynamics)研究腔中的物质与腔场作用的动力学,是非常有前景的量子器件。人们做了很多优秀的工作研究腔QED系统中的量子信息过程,这些工作对于腔QED系统的量子器件地位的确立起着非常重要的作用。本文研究了由多个腔QED系统耦合组成的耦合腔列模型以及由腔QED系统与波导管耦合组成的模型,旨在为量子信息服务。本论文主要分为七章,从第三章开始介绍我们的工作,具体内容的安排如下：第一章首先介绍了量子信息和量子光学之间的关系以及腔QED的发展。然后对耦合腔列中自旋链的模型的意义以及研究现状做了介绍,也对腔QED与波导管耦合系统做了简单介绍。最后给出了本论文的研究内容和结构安排。第二章中给出了本论文中需要用到的理论知识。首先介绍了电磁场是如何量子化的,接下来给出了光场与物质相互作用的量子理论。然后对绝热消除法、缀饰态理论、信息熵度量纠缠以及光子之间的相干做了介绍。第三章研究了如何在耦合腔列中实现自旋为1的海森堡模型。我们考虑由N个全同腔组成的耦合腔列系统,其中每个腔包含一个五能级原子。结果显示,在一定条件下通过相邻腔之间交换虚光子,我们模型可以有效地等价为自旋为1的海森堡模型。可以通过调节外加激光场来控制有效哈密顿量中的参量。第四章中我们利用耦合腔列的模型模拟了各向异性的XYZ自旋链。在我们的模型中每个腔中有一个五能级原子。有效各向异性自旋链哈密顿量中的各向异性参量可以通过控制外加激光场来调节。我们通过数值模拟的方法验证了在计算过程中所取的近似的有效性,最后对系统的退相干进行了讨论,发现我们的系统是可以克服退相干效应的。第五章我们利用polariton理论研究了V型原子系综与场相互作用的系统。polariton方法在强耦合机制下的腔QED系统中是一个非常有效的方法。我们分析了连续场跟物质相互作用情况下的polariton(?)理论。利用polariton理论研究了系统中双模光子之间的转换效率和纠缠。我们研究了光场与原子能级之间的失谐量对频率上转换的影响。结果显示当入射光子与原子非共振时,调节探测场的频率同样可以得到很大的转换效率。另外我们还分析了原子能级的自发辐射对双模光子之间转换效率的影响。第六章中我们研究了非线性腔系统与波导管耦合的模型中光子的传输。波导管中光子的传播可以通过操作非线性腔系统中的原子来控制。我们利用polariton理论进行分析。在单光子情况下,我们的模型等价为一个波导管与一个二能级系统耦合。通过解薛定谔方程,我们发现可以通过控制外加经典场的拉比频率来实现光子的开关。在双光子情况下,系统等价为波导管与一个级联三能级系统耦合,光子的二阶相干度可以通过调节经典场的拉比频率来控制。第七章中我们研究了腔QED系统与波导管耦合模型中的双光子传输问题。腔QED系统由一个线性腔以及腔中的四能级原子组成。我们在缀饰态表象下进行分析,发现原子和腔组成的系统会导致非线性效应。可以通过调节外加经典场的拉比频率来控制关联光子对的透射和反射。最后,我们给出了总结和展望。