随着社会的不断发展,人们对信息处理的需求日益增长。经典的信息技术在某些方面已经遇到了瓶颈。量子信息学诞生于上世纪,是涉及量子力学和信息科学的新兴交叉学科。量子力学对社会产生了巨大的影响。借助量子理论来处理和传递信息,在某些方面相比于经典信息技术有着无可比拟的优越性,比如在量子通信中可以实现理论上的无条件安全传输,在量子计算中可以实现信息的并行处理。在量子信息的研究中,处理信息的硬件必不可少。实验上需要合适的物理体系实现量子信息处理,目前被人们寄予希望的物理体系有离子阱、腔量子电动力学、核磁共振、超导约瑟夫结、量子点、金刚石氮空位(nitrogen vacancy,NV)体系等。NV色心电子具有自旋相干时间长、易于操控等优点,微环谐振腔(microtoroidal resonator,MTR)是一种具有高品质因子和小模式体积的光学微腔。NV色心和MTR耦合形成的固态光学腔系统在量子信息处理的很多研究方向都得到应用。本文主要涉及以下几个方面:首先,我们基于金刚石氮空位色心与微环谐振腔的耦合系统,设计了一个有效的量子纠缠态的同步制备方案。在方案中,利用光子通过耦合系统的输入输出过程,讨论了两粒子纠缠Bell态和三粒子纠缠W态的实现方法。NV-MTR耦合系统拥有固态量子比特和光学微腔的优点,使得我们的方案对耦合强度和腔的品质因子要求不高,具有较好的实验可行性。其次,我们提出了无消相干子空间中量子逻辑门的一系列理论方案。在CNOT、Toffoli门的基础上,我们还实现了非局域多比特控制门的构建,可以用于量子网络中不同节点间的一些操作。无消相干子空间对联合噪声有一定的免疫,因此方案有鲁棒性。方案中使用的模型也可以应用到其他固态光学腔系统中,具有较好可扩展性。在此系统中还进一步降低了实验中的需求,使得在当前可以达到的系统参数范围内具有更好的性能。