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量子信息中用二态的量子力学系统来描述两位信息，用量子逻辑门来实现信息的转换和传输。研究表明，光场与原子相互作用表现出的量子效应可以应用到量子信息中。
本论文的工作是在光与物质相互作用的半经典理论方案下，首先引入独立双路径和相干双路径的概念，研究超短激光脉冲与二体二能级体系的相互作用。二体二能级原子可以等价为一个四能级系统，对原子由不同的激发方式引起的不同的跃迁路径，我们清晰地区别由独立原子构成的二体二能级体系和由相关原子构成的二体二能级体系之间能级跃迁的区别。分别用薛定愕表象和密度矩阵描述两不同情况下系统的动力学方程，得到体系运动方程的一般解，然后根据原子的初始条件得到原子各态的布居和纠缠度的演化。结果表明，与由独立原子构成体系的模型相比，相关双原子体系在超短激光脉冲的作用下，表现出更加丰富的相干性，这种相干特性与体系初态、失谐量和激发的路径都有关。通过在不同的初态下调控各态布居，可以得到不同的量子态，从而实现量子态的转换。
在相干双路径模型中，纠缠度大小可以通过调节入射单光脉冲的面积来实现操控。两相干原子在实际系统中不可能是完全孤立的，必然会受到环境的影响产生退相干，退相干会破坏量子相干性，从而是量子信息失真，我们考虑系统中两原子有偶极作用，进而推导出环境中系统含耗散的主方程。
其次，研究了脉冲对与单二能级原子的相互作用。证明了单脉冲与单二能级原子相互作用的哈密顿量由于缺少整体相位不能实现一位通用量子逻辑门。本文用含相对延时τ的脉冲对与二能级原子相互作用，在旋波近似下可求得的解析解。结果证明，本模型的哈密顿量为SU(2)结构，通过幺正变换改变哈密顿量可使二能级体系的整体波函数获得一个可控总体相位项，从而实现通用单量子逻辑门。
光与物质相互作用的相干瞬态效应，其量子特性广泛应用于量子信息的存储和处理中，其中光子回波的量子记忆功能可以实现量子信息的中继。我们考虑光的传播效应，用超短激光脉冲与介质作用，用Maxwell-Bloch方程数值模拟光子回波，发现出现回波的关键在于在计算时对非均匀展宽的取值，要求非均匀展宽的高斯线型在频域上完全包络住输入脉冲，光子回波的质量和脉冲的脉宽以及各脉冲之间的间隔有密切关系；同时，用脉冲序列也可以出现光子回波，脉冲序列可以构成如二进制的信号序列，信号经过延时后可以读出来，从而实现量子信息的中继。