中文摘要：

量子信息科学的最新发展趋势是现实计算方案的探索和量子仿真方法的研究。基于约瑟夫森器件的超导电路和其它新型人工量子系统在这些研究中起着重要的作用。我们根据对领域发展方向的判断，选择一些有重要意义的物理问题进行了深入的研究。首先，为了克服各种已知量子计算系统的缺点而发挥它们各自的长处，我们创造性地提出了一种基于超导芯片的集成化光子比特量子计算方案。这一方案可以充分利用光子比特的极好相干性，同时克服传统光学系统无法小型化、集成化和难以扩展的缺点，因而有非常好的前景和可行性。在量子系统的调控和仿真方面，我们提出了利用集成化的人工片上微腔系统来实现有阻挫效应的自旋系统的仿真，探讨了实施这些量子仿真的必要条件并估计了仿真结果的精确度。我们也研究了在容错量子计算中有重要价值的拓扑计算的仿真问题，首次给出了使用带算符仿真完全拓扑保护的量子计算过程的整套方案，并给出了基于超导芯片系统的具体物理实现。除了与具体物理系统和实验紧密联系的量子计算和量子仿真方法的探索之外，我们也研究了一些在量子信息科学和超导超流物理里的重要理论问题，如多体量子纠缠的定义，环状波色爱因斯坦凝聚的相变等。