量子信息学是量子力学与信息科学结合而产生的一门新兴学科,其主要包括量子通信和量子计算。由于量子系统具有量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等性质,量子信息具有经典信息根本无法比拟的优异特性:超快计算、超大容量存储和绝对安全通信等。进行量子信息处理首先要找寻一个能存储量子信息的物理载体——量子比特系统,包括自然的微观系统和人造的可控微尺度结构等。　　超导量子比特是宏观量子比特,它的几何尺寸较大,它具有易集成、易调控、易耦合和易测量的特点;同时能使用现有成熟的超大规模集成电路技术进行制造;再者超导量子比特在设计和加工上的优越性,使我们能够将其与别的量子比特结合起来,形成新的性能更优异的量子比特。这些优点使其在量子信息处理的量子硬件中脱颖而出。　　构建有效耦合的量子比特网络是实现量子计算的物理基础。在量子比特网络中,实现单比特旋转和两比特条件门是构建普适逻辑门的基础,这样才能进行量子信息处理。由于量子纠缠态是量子信息处理重要的信息资源,量子信息处理很多方面离不开纠缠态,因而纠缠态的制备是量子信息处理的基础工作之一。量子算法是实现量子计算的基础,量子算法能显示量子计算机的强大计算能力。多种量子算法物理方案的设计,有助于量子计算机的实现。因此本博士论文致力于研究超导量子比特系统,构建超导量子比特网络、制备纠缠态以及实现量子算法。论文的主要研究工作为:　　一、设计了一个超导电荷比特网络结构。该网络结构能实现任意两比特之间的相互作用,即能实现长程相互作用,且能实现普适逻辑门,因此我们的结构在原则上能实现所有量子信息处理方案。此结构具有可扩展和操作简单高效的优点,能用目前的超大规模集成电路技术制作。同时我们还分析了制作技术不尽完善带来的影响。　　二、提出了制备图态的物理方案。此方案是基于电感耦合的超导电荷比特网络结构和约瑟夫森结耦合的超导电荷比特网络结构,这两种结构能实现任意两比特之间的控制操作,所以可以实现任意的图态,以满足量子信息处理的需要。本方案中电路参数控制简单便捷,具有实验可行性。因此它是基于超导电荷比特的一个简单的、可扩展的和容易实现的多种图态制备方案。　　三、提出了制备簇态的物理方案。该方案是基于电感耦合的超导电荷比特网络结构和约瑟夫森结耦合的超导电荷比特网络结构,这两种电路结构具有可控性和可扩展性,本方案的成功概率和保真度均为1,如果由于实验技术的不精湛而带来的残存耦合会使成功概率和保真度均有所下降,但簇态还是能制备的,所以这个簇态制备的物理方案是一个可扩展和可行的方案。　　四、提出了实现Grover算法的物理方案。该方案是基于电感耦合的超导电荷比特网络结构和约瑟夫森结耦合的超导电荷比特网络结构,本方案理想情况下的成功概率和保真度均为1。本方案通过一个公用的元件能使任意两比特有效地耦合,电路结构制作简单,在实验上具有可行性,所以这个方案是简单高效和易控制的Grover算法优化实现方案。　　五、提出了实现Deutsch-Jozsa算法的物理方案。该方案是基于电感耦合的超导电荷比特网络结构和约瑟夫森结耦合的超导电荷比特网络结构,本方案量子逻辑门操作必需通过电压和磁通量调节来实现,而这种调节技术是目前实验技术能够达到的。本方案理想情况下的成功概率和保真度均为1,若考虑实验技术的不尽完善,最后结果的成功概率和保真度将略有下降。我们的这个方案虽然简单,但具有高效和易控性,是一个Deutsch-Jozsa算法的优化实现方案。