量子中继是构建未来长距离量子通信和大尺度量子网络的重要基础,光量子存储是量子中继的重要工具。近十年来基于原子系综中的电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,EIT)动力学过程及Duan-Lukin-Cirac-Zoller(DLCZ)方案的光量子存储取得了重要发展,极大的促进量子信息领域的研究与探索。具有实际应用价值的量子存储被要求具有:(1)高存储效率,(2)长存储寿命,(3)大的多模存储能力等3个重要的指标。基于这三个指标本文开展了一系列的研究工作。主要研究包括:(1)基于光学腔增强的光与原子耦合效应,实验实现了两正交偏振光场高效率长寿命的EIT光学存储。(2)基于DLCZ-型时间多模存储方案,实验实现了光与原子量子纠缠倍增产生,主要完成的工作包括:(1)在冷原子系综中两正交偏振光场的EIT存储实验研究,将一个中等强度(13.5G)磁场施加到原子系综中,使原子基态产生Zeeman能级分裂。在此基础上,利用EIT效应将输入的信号光两偏振模分别存储在两磁不敏感型自旋波上,减小磁场起伏引起的自旋波退相干;同时使信号光与写控制光共线,实现长波长自旋波存储,抑制原子热运动导致的退相干。采用雪茄型原子冷却磁光阱(MOT)增加原子系综光学厚度。实验测得EIT存储效率为30%,存储寿命3ms。该工作为高效率长寿命量子存储提供了基础。(2)光学腔增强的EIT存储,实验实现了两偏振正交的光场模高效率长寿命的光学存储。实验中我们采用冷原子中EIT过程进行了信号光左旋和右旋两偏振模的存储。采用磁场分裂原子能级的方法,使两偏振模存储在磁不敏感型自旋波上。采用信号与写控制光共线结构,实现长波长自旋波存储。将原子放入一个低精细度光学腔,增强光与原子耦合效应。实验测得该光学存储系统的寿命为3.5 ms,存储效率为30%。该存储效率对应着一个45%本质的存储效率,即通过增加光学腔耦合输出效率,可使存储效率提高到~45%。我们的工作为实现一个高读出效率长寿命的偏振量子比特存储提供了一个可行的方法,该方法将会应用于未来量子信息网络。(3)完成了基于时间多模存储的自旋波-光子纠缠产生的实验研究,将一系列写光脉冲沿不同空间方向施加到冷原子系综中,基于DLCZ过程(即拉曼散射过程)我们制备了19个量子关联模式对。每个模式对都由一个量子存储模式和光场时间(time bin)模式构成。自旋波激发(collective excitation)存储在量子记忆模式(也被称为自旋波模式)。光子传输于时间光场模式(也被称为光子时间模式,photonic time bin)。光子-自旋波(原子记忆)量子纠缠几率性的产生在这19个模式对中。我们将19个光场时间模式传输至一个单光子探测器。如果一个单光子在一个光场模式中被探测到,相应的量子记忆模式中就会存储一个自旋波激发。采用基于FPGA(field-programmable gate array)反馈控制的读出被预告的自旋波激发就会被找回到读出模式中。基于此实验安排,我们构建了一个基于时间多模的光与原子(光子-自旋波)纠缠源。实验测得该19模倍增纠缠源产生的自旋波-光子纠缠的几率是单模纠缠源产生的18.8倍,测得倍增纠缠源的Bell参数为2.30±0.02,纠缠存储寿命为30μs。我们完成的倍增纠缠源将为提高量子中继纠缠分布速率提供一个重要的工具。(4)进行了基于空间多模存储的自旋波-光子纠缠产生的实验研究,在一个冷原子系综中,采用写光激发原子,产生了自发Ramam光散射过程。在6个空间不同方向上收集产生的斯托克斯光子,获得了6个光-原子纠缠源。采用反馈控制读出的方法实现了6倍增的自旋波-光子纠缠态产生。实验测得倍增纠缠源的Bell参数为2.49±0.03,存储寿命~60μs。