单光子是飞行的量子比特,它具有运动速度快,与外界环境的相互作用较弱,适合长距离传输,以及量子态易操控等特点。因此它在量子科技领域中具有重大应用意义,并且在未来量子网络技术中也将扮演重要角色。此外,单光子作为量子比特在量子通讯以及量子精密测量等领域,具有十分重要的科学研究价值和技术应用的潜力。基于单光子源实现原子系综之间的量子纠缠交换、单光子态的隐形传输等也在原子系综中相继实现。冷原子系综这种介质平台结合激光冷却囚禁技术,在制备和存储、操控单光子等方面有多种优势。本论文的主要内容是利用光与冷原子系综的相互作用,通过四波混频过程产生宣布式单光子,探索关于单光子时间模式量子态的量子层析及在此基础上构建量子比特。本论文主要完成以下三个工作:1,基于冷原子系综,通过内嵌电磁诱导透明效应的自发四波混频过程制备关联光子对,从而获得宣布式单光子。并对宣布式单光子的时间态进行量子层析,重构以时间本作为正交基矢的单光子态密度矩阵。目的是全面地获取单光子态时间波函数,包括其函数振幅与相位信息。2,通过操控泵浦光场,实现控制单光子态在时间频率空间下的波函数的振幅和相位变化,因此制备单光子两种正交的时间模式量子比特。从而证明单光子在时间频率维度下可以用来进行信息编码。3,基于平衡零拍量子层析技术,对经电磁诱导透明效应选模的窄带宽单光子态进行量子态重构。通过还原其相空间下的维格纳函数和数态密度矩阵,获得了单光子态的完全信息。本论文的工作创新点在于对冷原子系综制备的宣布式单光子首次使用了量子层析的技术。基于密度矩阵和维格纳函数全面的重构量子态,获得其完全信息。同时,本文的工作首次在实验上演示,单光子在时间频率空间下,其波函数可以用来作为量子比特来进行编码并应用在量子通讯与量子计算等领域。