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量子信息和量子计算是一个发展极为迅速的重要学科。量子通信在物理理论上具有绝对的保密特性，具有绝对的安全性，这比经典通讯中的相对安全的加密系统更加强大，同时量子计算机与经典计算机相比，具有更加强大的计算能力，可将经典计算机指数困难的难题在多项式的时间内完成，因此被众多物理学家关注。线性离子阱和可拓展的表面芯片阱则是一个适合量子计算的重要物理体系。本文主要介绍基于离子阱体系的一些工作，包括离子稳定囚禁的讨论，囚禁离子体系内的量子操作，离子阱系统退相干实验测量的理论分析，以及囚禁后离子的冷却，后面讨论在离子阱体系中对多体结构相变和量子不确定关系的观测和分析。具体如下: (1)首先讨论热离子在谐振势阱中服从马丢方程的经典运动规律和离子可以被稳定囚禁的经典稳定区。然后当离子被冷却到低温状态时，讨论离子运动服从薛定谔方程的运动规律，并计算离子可以被稳定囚禁的量子稳定区域范围。特别地，研究直流极限下的量子稳定区，并发现一个比经典理论和粗糙的量子估计更大的稳定囚禁范围。随后介绍离子与激光的相互作用，展示在激光操作下，如何实现量子演化操作和量子门操作，以及如何在实验上表征和测量一个量子态。 (2)量子退相干是限制量子操作保真度的重要因素。离子阱体系内的退相干包括能级耗散和退相两种方式。为了实现对能级耗散的抑制，理论上利用量子态扩散方程理论设计通过白噪声控制能级耗散的方案，并在强噪声下实现能级耗散的有效抑制。在另一方面，提出退相测量的简单模型，其结果与现在常用的测量方法很好的相符。更进一步地，介绍如何通过多普勒冷却的方法冷却一个热离子。当离子被冷却到量子区域后，利用三能级和四能级内态结构构建有效的量子干涉路径来实现快速强健的量子干涉冷却。通过量子干涉效应，消除载波跃迁产生的加热效应，抑制甚至消除一阶蓝边带跃迁的加热效应，同时放大了一阶红边带的冷却效应，从而实现快速的基态冷却过程。 (3)当离子被很好的冷却后，在我们的芯片离子阱中，多个离子结晶为离子库伦晶体，展现出不同的结构形状。在各向异性参数变化下，展示库伦晶体在某个临界值处发生结构相变，这个相变位置与载入的离子数目服从幂率标度行为。在线性离子阱中，离子被冷却到基态后便能够展现出了优秀的量子特性，并被用于检验一些重要的量子力学难题。具体地，理论上研究最近提出的量子不确定关系不等式，并在理论上首次证明使用单量子比特进行联合测量的可能性，然后在实验上设计与钙离子囚禁系统关联的单量子比特测量方案，并实施有效的实验检验，从而在实验上精确证地实新型的量子不确定关系不等式的正确性。