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作为量子力学的重要应用，量子态的相干操纵一直是一个人们关心的领域，而近年来量子信息技术的发展进一步刺激了这个领域的研究。量子相干操纵的目标是在适当的物理系统中实现对其相干动力学的控制和操作。要实现相干操纵，最关键的问题是找到一个相干性好的物理系统。因此，充分利用物理系统的特性，设计出适当的实现相干操纵的方案是这个领域一个非常重要的研究课题。近年来，由于实验技术的提高，一些固体量子器件引起了人们的广泛关注，比如超导约瑟夫森结、超导量子传输线、纳米共振腔等等。为了进一步发掘它们在实验技术中的应用前景，我们有必要理解其工作原理，并据此提出基于这些固体器件来实现相干操纵的具体方案。这样的一些方案，不仅有着技术应用的价值，同时也将帮助我们加深对量子力学基本原理，特别是宏观量子现象的理解。本文就超导量子电路器件在量子相干操纵中的应用进行了详细的探讨。我们从各种超导量子器件的特性出发，阐释了这些超导器件的工作原理，并利用这些原理设计出实现量子信息处理和其他量子相干操纵的基本组件，最后研究了在超导量子计算中退相干的影响。
本文分为三个部分。第一部分包括论文的第一章，在这里，我们系统的介绍了固体量子电路的几个基本物理系统：超导约瑟夫森结量子比特、超导传输线和纳米共振腔的概念、结构和物理特性，这些知识是我们后面各章讨论的基础。
第二部分包括第二章到第四章，这一部分中我们讨论了利用超导量子电路进行相干操控的具体方案。第二章中讨论超导量子电路在量子信息处理中的应用。为了论文的完整性，我们在这一部分首先介绍了量子信息和量子逻辑门以及量子存储的基础知识，还介绍了我们工作中用到的数学方法：Wei-Norman代数的方法。然后详细的分析了我们的量子逻辑门方案和量子存储网络的方案。第三章中我们研究了两个量子态相干操控的方案：利用固体量子比特来冷却纳米共振腔和实现量子奥托热机。这两个方案不仅有着实际应用的意义，还可以帮助我们理解量子力学相干性与热力学以及信息论之间的内在联系。第四章里，我们讨论和超导量子电路相干的量子临界性和量子相变问题。我们首先介绍了量子相变及一个典型的理论模型一一横场伊辛模型。然后利用两个超导量子比特系统演示了量子临界性，最后我们提出了一个基于量子比特阵列探测宏观量子相变的方法。
第三部分包括第五章，这一部分主要讨论与超导量子系统退相干相关的问题。在这一章里，我们首先介绍了退相干的数学描述，然后给出了一个用超导电荷量子比特和纳米共振腔的耦合系统人工模拟量子退相干的方案。最后考察了在超导电荷比特中的一种非线性退相干机制。