随着量子信息学的蓬勃发展,量子网络受到全世界各行业的青睐。其中,量子网络中的量子节点需要对量子信息进行存储和操控。冷原子系综可以实现量子信号的长寿命高效率存储,已经成为有潜力的量子节点。但是存储系统与外界环境无法完全隔离,消相干的存在使得量子信息在存储和操控过程中存在较大的损耗。为此需要设计方案提高量子存储的存储效率、存储寿命和存储保真度等性能指标。本文进行了基于冷原子系综的量子存储和操控的实验研究。主要内容包括以下几个方面:(1)利用动力学退耦合的量子操控技术延长量子比特在冷原子系综中的存储寿命:实验通过Raman过程操控原子在两基态间的相干转移。利用多个Raman?脉冲组成的Carr–Purcell–Meiboom–Gill(CPMG)序列压制自旋波间的退相干,使原本在存储时间t=180μs时已经低于80%的过程保真度,在存储时间t=800μs时保真度仍然优于80%。该方案的优势在于可以大大提高长距离量子网络中隐形传态的成功机率,而且在未来的量子信息过程中会有更多更有效的应用前景。(2)在冷原子系综中,研究了存储效率与等待间隔(磁光阱关断和存储事件发生的间隔)之间的关系,探索了存储效率与实验重复频率(单位时间内进行存储释放研究的次数)之间的关系。结果表明,当磁光阱等待时间在0.015ms到3.5ms时,0.2μs处恢复效率可以超过15%。当等待时间小于0.015ms时,磁场起伏将极大地影响存储。当时间大于3.5ms时,原子团状态将减小存储效率。测量结果为之后改进冷原子系统、在冷原子系统中产生和存储偏振纠缠提供重要的实验依据。(3)任意偏振量子比特的长寿命存储和量子路由:通过引入一个13.5G的轴向磁场,去除了能级结构中的磁敏感态自旋波,使任意偏振量子比特只能映射到两个相互正交的磁不敏感态自旋波中。利用相位匹配条件和电磁感应透明动力学过程操控读光传播方向,实现了基于冷原子系综的量子路由,可选择地将任意偏振释放光信号高保真度地传输到七个不同的量子通道中。另外通过改进量子通道的滤波系统,提高了释放光信号的信噪比。实验最终实现了长存储寿命高保真度任意偏振量子比特在量子节点中的路由;而且当存储时间达到6ms时,信号光偏振态的保真度依然超过78.4%。这项工作可应用于搭建大型量子网络,进行远距离量子通信及分布式量子计算等。(4)研究了任意偏振光在环形腔中的偏振保持:高保真度是量子存储的重要指标之一,而环形腔中进行量子存储很难保证信号的保真度。实验中通过设计了一种特殊的腔型和利用两个特定角度的二分之一玻片,补偿了腔内反射镜对不同偏振光的反射率不等带来的腔模高度差异。利用一组?/4-?/2-?/4玻片组合,补偿了腔内不同偏振光之间存在的相位差,使两个相互正交的偏振光腔模位置重合。最终实现任意偏振光经过环形腔后偏振保持不变,解决了经过环形腔光信号保真度降低的问题。为之后基于冷原子系综的任意偏振比特在腔内的高效率高保真度存储提供了实验基础。