极端条件下的物质结构和动力学性质一直是人们研究的重点。氢和水等轻质物质是太阳系中的巨行星以及系外行星的重要组成部分,氢的同位素氘和氚是惯性约束聚变的燃料,研究稠密轻质物质结构和动力学性质不仅可以加深对自然界基本物质状态的理解,而且在天体物理、地球和行星科学、惯性约束聚变等高能量密度物理领域具有重要的科学意义和应用价值。本文从密度泛函理论出发,结合路径积分分子动力学方法,研究了原子核的量子效应对温稠密氢的结构和输运性质的影响,以及对高压冰的相变机制和K边X射线吸收谱的影响。同时,研究了水这种典型的氢键系统在温稠密条件下的结构和极化性质,并对小尺寸水分子团簇的结构和振动性质进行了计算,以期从微观角度理解水的性质。首先,我们在路径积分分子动力学框架下改进了质心分子动力学方法,使其对开放系统的离子量子动力学能进行合理描述。将计算电子结构的密度泛函理论与处理原子核量子效应的路径积分分子动力学方法相结合,实现了对物质结构和动力学性质的“全量子模拟”。利用该方法我们系统地研究了温度从0.1 eV到1eV,密度从10 g/cm3到100 g/cm3的温稠密氢的结构和自扩散系数、粘滞系数、电导率和热导率等输运性质。计算结果表明,原子核的量子非局域效应极大地展宽了氢原子径向分布函数。原子核的量子特性减小了离子弹性碰撞截面,使离子的自扩散系数显著增加,粘滞系数相应地减小。同时,原子核的量子效应使核周围电子更加局域化,从而降低了直流电导率和热导率,增强了光吸收系数。自扩散系数和粘滞系数的Stokes-Einstein关系在强耦合区域不成立,量子模拟得到的电导率和热导率的Wiedemann-Franz定律在低温下偏离了电子简并极限。其次,利用第一原理路径积分分子动力学方法,研究了温度低于300 K,压强低于110 GPa的范围内高压冰的三种相VII、VIII和X之间的相变机制和X射线吸收谱。结果表明,质子的量子隧穿效应对冰VII和VIII相变起主导作用。质子的量子效应对三种相之间的相变温度和压强有重要影响,量子模拟结果极大地改进了高压冰的理论相图,缩小了与实验结果的差距,并且得到了与实验符合很好的冰VIII的K边X射线吸收谱。K边X射线吸收谱对冰VII和VIII的质子有序-无序转变比较敏感,可以用来诊断高压冰的结构和动力学性质。第三,利用第一原理分子动力学方法,研究了密度从1.0 g/cm3到2.2 g/cm3,温度从300 K到2800 K范围的温稠密水的结构和极化性质。常态水中由水分子通过氢键结合成的四面体网络结构当温度升高到800 K时出现崩塌,氧原子的最近邻和次近邻两个壳层的水分子会混合形成一个新的最近邻分布壳层。在1800 K的等温线上,密度增加到2.0 g/cm3时,水由液态转变为非晶超离子态。温度升高使水分子平均偶极矩减小,而密度增大则使水分子平均偶极矩增大。升高温度和增大密度都会增强水分子内的电荷涨落,从而展宽水分子的偶极矩分布。第四,利用第一原理分子动力学方法计算了水分子团簇(H2O)n(n=2-5)的基态振动谱,通过与实验结果进行比较,确定了水分子团簇(H2O)n(n=2-5)的基态结构。随温度的升高,团簇结构和水分子振动模式发生变化,振动谱的不同频段出现红移、蓝移或者消失。振动谱随温度变化可以作为诊断水分子团簇结构和动力学性质的有力工具。