本文研究了里德堡原子系综中关于原子和光子的量子多体问题,着重探讨了其中的动力学过程和新颖的物理现象,以及其在量子信息处理中的潜在应用。首先,我们研究了有序的原子阵列系统中由里德堡缀饰诱导的相互作用及其引发的多体动力学。在第一个方案中,我们发现激光缀饰形成的非对称微扰路径会诱导出一种基态和里德堡态之间的等效自旋交换。这种人造的自旋交换相互作用具有长程特性以及高度的可调性,因此可以利用它来对一些常规体系难以实现的自旋输运模型进行量子模拟。我们以激子拓扑输运和关联输运为例对这种相互作用进行了详细的探讨,并研究了其在退相干环境下的动力学。在第二个方案中,我们发现对于不同种类的原子进行里德堡缀饰可以实现一种多比特相位翻转逻辑门。利用这种逻辑门可以实现宏观量子叠加态的单步制备,以及模拟拓扑量子计算中一些包含多体相互作用的模型,比如Kitaev Toric Code模型。通过里德堡原子系综与光子之间的耦合可以将原子间的强相互作用转移到光子之间,进而为研究量子非线性光学提供一种切实可行的机制。为了解决传统里德堡EIT（Electromagnetically Induced Transparency）系统中耗散型相互作用带来的不利影响,我们建立了多模非线性量子光学的框架。当引入多个光学模式时,存在一种耦合-阻塞机制可以将耗散型的相互作用转变成相干的形式。基于这种机制,我们以里德堡EIT为例讨论了多种对光场量子态操纵的方案,包括量子光开关,光子EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）纠缠态产生,以及光子逻辑门的实现。最后,通过将里德堡缀饰方案与里德堡EIT结合,我们构造了一种新的光子-原子相互作用形式:单光子和单原子的自旋交换碰撞。我们发现,这种自旋交换过程既可以展现出耗散特性也可以表现为完全相干的过程,取决于相互作用强度。在强相互作用下,体系会因为耗散稳定的演化为光子和原子的纠缠态。在弱相互作用区间,单个原子可以将多光子脉冲中的一个光子的自旋翻转,实现一种通用的单光子减法器。我们发现量子纠缠的存在使得单光子减法操作中单光子提取效率和态纯度之间存在着一种普适的权衡关系。我们证明了当入射光子数较多时,可以在相位匹配条件下通过优化散射系数近似实现完美的单光子减法器。