在量子光学的发展中,激光与物质相互作用所形成的量子相干效应一直是备受关注的焦点;近些年,其在量子信息领域的应用中也焕发出了新的活力。本文首先介绍几种典型的原子相干效应及其在量子信息领域的应用,例如:受激拉曼绝热过程(stimulated Raman adiabatic passage:STIRAP)和电磁诱导透明现象(electromagnetically induced transparency:EIT)等。在普通的超冷原子体系中,可以利用这些原子相干效应实现粒子数在两个量子态间的完全转移、制备纠缠态、实现量子门操作、制备光子晶体和实现光场存储等,应用非常广泛。里德堡原子由于主量子数很大,具备一些中性原子所不具备的性质,如:轨道半径大、辐射寿命长和电偶极矩强等。其中强的电偶极矩使里德堡原子之间的偶极-偶极相互作用增强,较基态原子之间高出20个数量级。基于这些特性,里德堡原子体系的量子相干效应必将不同于普通冷原子体系,所以对里德堡原子体系的研究引起了越来越多的关注。近几年,随着技术的进步和理论的完善,出现了许多处理里德堡原子系综多体问题的重要工作,而本文重点研究了超冷里德堡原子系综的量子相干效应及量子相干调控。研究内容主要包括里德堡原子体系的受激拉曼绝热过程和电磁诱导透明现象,并在里德堡原子体系中利用偶极阻塞效应和光存储过程实现了可控单光子源的制备。在第三章中,我们分别考虑包含两个里德堡态的三能级梯型结构原子对和四能级Y模型结构原子对的受激拉曼绝热过程。一般情况下,里德堡原子之间很强的长程相互作用会诱导偶极阻塞效应,从而抑制粒子数向里德堡态的转移。但研究发现,可以通过调节耦合场失谐,使其达到完全弥补相互作用引起的能级移动,从而实现反阻塞;如果调节耦合场失谐使其达到部分补偿相互作用引起的能级移动时,可以使体系演化到纠缠态。通过对参数进行优化,我们给出了实现粒子数完全转移和制备高保真度的纠缠态的条件。如果将体系拓展到三个原子甚至多个原子,预计可以制备多体纠缠态,而这些纠缠态的制备对实现量子通信意义重大。此外,由于两个里德堡态之间的相互作用更为复杂,其物理内容也更为丰富。可以通过对四能级Y模型结构原子对的受激拉曼绝热过程的研究,清楚的了解到两个里德堡态之间的不同相互作用(自相互作用和交叉相互作用)对不同态的阻塞效应。这促使我们对里德堡原子体系的阻塞效应和反阻塞效应有了更深刻的了解和认识。在第四章中,我们利用精确的超级原子模型,研究了包含单个里德堡态的四能级Y模型结构冷原子体系的电磁诱导透明现象。在数值模拟过程中,突破了弱场近似的限制,并且考虑了相关高阶集体态,这使计算结果更加精确可靠。通过对包含单个里德堡态的Y模型结构EIT的研究,可以更加方便的对比由里德堡态和普通激发态引起的EIT窗口的不同。在透射谱中出现两个EIT窗口,其中一个是由基态到普通激发态的共振引起的,透射窗口很低并表现出对探测场强度变化不敏感的特性;另外一个窗口是由基态到里德堡态的共振引起的,展现出了合作光学非线性效应,即随着探测场强度的增加,透射窗口变低。通过调节耦合场失谐可以使两个窗口重叠在一起,但退化的窗口变成了一个尖锐的非洛伦兹线型,并且明显由非线性效应起主导作用。此外,探测光子的统计规律在传播过程中会发生变化,可以通过调节探测场和耦合场强度,在介质末端得到不同程度的聚束光子或反聚束光子。在第五章中,我们利用超级原子模型研究了里德堡原子介质中的光存储过程,并且提出利用存储过程实现可控单光子源的方案。在EIT条件下,我们将具有高斯形状的探测光脉冲以里德堡暗态极化子的形式存储在里德堡集体激发态上。由于偶极阻塞效应,在一定的阻塞区域内,只有一个原子可以被激发到里德堡态。这意味着每个超级原子内只有一个光子可以被存储,所以在介质末端,可以读取到一束单光子序列。数值模拟的结果显示出,读取光子的关联函数小于1,这充分说明了读取的光子是反聚束的光子序列。此外,重新读取到的光子能量对入射光子能量不呈现线性依赖也印证了读取的光子是单光子序列这一结论。将探测光场由高斯形状的脉冲调制成稳定光场之后,可以制备均匀的单光子源。对比之前制备单光子源的方案,此方案的优势在于可以利用控制场随时读取单光子,实现一个可控的单光子源。