从非连续介质波导构造的光子双势垒模型出发，建立了光子的双势垒量子贯穿理论，给出了光子穿透双势垒的量子概率公式。同时从解析和数值仿真两个角度分别讨论了行波光子和隐失波光子产生共振穿透效应所需的物理条件，研究了光子穿透概率与双势垒的几何尺寸、波导填充介质的折射率以及光子频率之间的依赖关系。比较不同物理条件下的仿真曲线，概括其物理规律。尤为重要的是，当双势垒由截止波导构成时，频率或双势垒结构参数发生细微变化会对光子穿透概率产生极大的影响。基于这些物理规律，初步探讨了光子的量子共振隧穿效应在一些光学器件设计中的潜在应用，重点研究了其在激光测距技术中的原理设计。

核方法在机器学习中有广泛的应用。量子计算与核方法结合，可以有效解决经典核方法中当特征空间变大时计算成本随之增加的问题。研究表明，基于核方法构建的最小化量子电路可以可靠地在含噪声的中型量子设备上执行。目前已提出的一些基于量子核方法的分类器在充分映射数据以及电路架构等方面仍存在一定的缺陷。因此，提出了一种基于多项式核函数的紧凑型量子分类器。首先通过引入多项式核函数，提升了非线性数据的分类迭代速率，从而提升了分类效率；在此基础上进一步提出紧凑型振幅编码，将量子态相对应相位的数据标签编码。相比于已有的量子核方法分类器，所提模型的量子电路的编码位数可以从5个量子比特减少到3个量子比特，而且，所提模型将已有方法中的双量子位测量简化为单量子位测量。此外，该模型在测量阶段的量子电路参数达到了最优方差，可以有效节省计算资源开销。实验仿真表明，所提分类器模型中的期望值更接近理论值，且获得了更高的分类精度，同时该模型具有较低的纠缠度，有效降低了整个准备工作的开销。

为提出一种更加简便有效的对角化哈密顿量的实用方法,以线性代数中的N元二次型的通用计算流程为基础,研究了二重构型类的量子玻色模型的哈密顿量对角化方法。以Dicke模型及腔光力杂化体系的哈密顿量的对角化过程为例,通过普通二次型到标准二次型的线性代数计算流程验证了该方法的正确性和有效性。尽管应用此法来处理量子模型的哈密顿量对角化问题有二重构型的条件限制,但是相信它也会为研究特定体系的量子相变问题提供另一类行之有效且简便的基本方法。

基于N光子纠缠量子成像的分辨率优势，设计了一种通用的多光子纠缠N00N态的超分辨量子成像系统，理论上成像分辨率可实现（N-1）倍的增加，成像系统的分辨率得到大幅提升。针对N00N态探测效率过低的问题，利用光学质心测量方法，保留所有探测情况，在不需要所有光子到达空间同一点的情况下，通过光子计数和适当的后处理，实现了任意数量光子下成像分辨率的提高。相较于N光子吸收方案，该方法的理论效率增加了DN-1（假设有D个像素）。所提方案可以产生具有高保真度和高稳定性（数天内保持稳定）的N00N态，有利于拓展N00N态的应用范围。所设计的系统在超分辨量子成像领域中具有较好的应用价值。

在实用化的高速量子随机数产生器的应用中，使用Toeplitz矩阵作为后处理方法提取量子随机数随机性已成为一种主要的技术路线。然而，Toeplitz矩阵更适合于硬件计算而不适合软件运算，通常需要搭建专门的现场可编程门阵列（FPGA）电路才能进行快速运算。基于自发辐射放大（ASE）的量子随机产生器，提出一种基于简单哈希函数的快速后处理方式。这种方式的时间复杂度仅为O（N），小于Toeplitz矩阵的O（NlogN），并且相对另一种常用的后处理方法，最低有效位（LSBs）后处理，具有更高的随机数提取效率。实验中由所提后处理方法计算得到的随机数已通过美国国家标准与技术研究所（NIST）随机性检测。

针对已有量子密钥协商协议存在或对参与者能力和设备要求过高，或易受中间人攻击的问题，利用贝尔态的纠缠特性、置换和幺正操作提出了一种具有互认证功能的两方半量子密钥协商协议。协议仅需一方参与者具备全量子能力，而另一方只需具备半量子能力。由于半量子参与方仅需进行反射操作以及简单的量子态制备与测量操作，因此该协议降低了对参与者量子能力与设备的要求。并且所提协议通过执行参与者之间的身份互认证以防止中间人攻击。安全性分析证明了该协议能够有效抵御参与者攻击和外部攻击。此外，综合考量所提协议的功能并分析其性能，并与已有量子密钥协商协议进行对比，可以说明所提协议在性能方面具有一定优势。

将玻色爱因斯坦凝聚制备在随时间简谐振荡的势场中，并与光学微腔系统相耦合，建立新的模型。分析了该模型中原子受到的有效磁场和简谐势阱的振动强度等因素对超辐射量子相变的影响，并探究了其随时间振荡的自旋动力学特性。提出的新模型具有重要的研究意义，且为深入研究腔量子调控提供了可行方案。

基于耦合腔磁力系统研究了多透明窗口现象以及快慢光效应。利用量子光学理论以及标准输入-输出关系，对该系统的输出特性进行了研究。结果表明，可以通过调节系统参数得到不同数目的透明窗口并得到较好的透明效果。同时，提出了一种通过测量吸收峰高度和宽度来精密测量两腔之间的相互作用强度的方法。此外，通过对系统参数进行调控，可以实现快慢光转换。该方案在精密测量和量子信息处理等领域中具有重要的指导意义。