几个世纪以来,关于光子本质的解释一直是科学家们争论的话题。著名的杨氏双缝干涉实验揭示了光的波动属性,而爱因斯坦对于光电效应的解释则验证了光子的粒子特性,这也形成了现如今人们对于光子的普遍认知:即光子具有波粒二象性。爱因斯坦的光量子理论不仅提高了人们对于光子属性的理解,也推动了量子力学的发展。光子作为量子力学基本粒子之一也被广泛应用于各种量子信息过程,比如量子计算、量子通讯、量子成像和量子加密等等。在量子信息领域,量子信息可以被加载在光子的偏振、频率和轨道角动量等自由度上,因而制备与存储各种光子纠缠态是实现许多量子信息处理过程的基础,同时如何提高光子可携带的信息量也是目前的研究热点,其中由于多自由度纠缠可以增加量子网络的信道容量而成为人们关注的一个热点研究方向。另外,随着容错量子计算和高精度量子测量等对纠缠粒子数日益增长的需求,制备多粒子纠缠态就显得尤为重要。本论文主要以携带高容量信息的量子纠缠态以及多粒子纠缠态的制备为目标开展实验研究,基于原子系综实现了多自由度和多光子纠缠态的制备以及其与原子存储器的接口链接。本论文的工作对于未来实现容错量子计算以及高容量的量子通讯网络具有重要意义。本论文的研究内容主要分为以下几部分:1.研究了双色超纠缠光子对的制备。我们首先用激光冷却与囚禁技术获得一个铷85冷原子团,然后利用原子菱形能级结构通过自发四波混频过程直接产生光子波长分别为795nm和1475nm的超纠缠光子对,该光子对同时处于时间-频率和偏振自由度纠缠。我们通过测量量子拍频验证时间频率纠缠,通过测量双光子干涉曲线和CHSH不等式证明光子偏振纠缠,实验结果很好地验证了超纠缠光子对的纠缠特性。2.实验研究了窄带宽四光子GHZ态的制备。我们首先在单个冷原子系综中复用两个自发四波混频过程产生两对双光子偏振纠缠源,然后通过宇称检验门后项选择出拟制备的GHZ态,最后通过量子层析测量重构了纠缠态的密度矩阵。实验结果清晰地表明了我们在原子系综中制备出了窄带宽四光子GHZ 态。3.开展了基于原子存储器的双光子NOON态存储研究。我们首先制备了两个冷原子系综,并在第一个冷原子团中使用双Λ型能级结构通过原子自发四波混频过程产生两个频率相同的光子,并利用HOM干涉仪制备了双光子NOON态。随后在第二个原子团中,我们通过一个主动锁定的马赫-曾德尔干涉仪的协助利用拉曼存储协议实现了 NOON态的量子存储。我们的实验结果证明双光子NOON态可以很好地被原子存储器存储下来。4.基于原子存储器开展了关于光子本质研究的惠勒延迟实验。我们首先制备出三个冷原子系综:第一个原子系综用来制备标记单光子源,而其他两个原子系综则用做时域上的拉曼存储器型分束器。我们通过构建时域上的马赫-曾德尔干涉仪以及量子随机数实现了惠勒延迟实验。实验结果证明在光子被最终探测之前讨论光子波粒特性是没有意义的。本论文的特色和主要创新点有:1.首次在原子系综中实现了可见波段光子与通讯波段光子之间的超纠缠。因为产生的可见波段光子能与原子能级耦合,因此适用于基于原子存储器的量子中继器,而通讯波段光子波长处于光纤通信窗口,适用于长距离量子通讯。另外相比于单个自由度纠缠,我们产生的超纠缠在时间频率和偏振自由度都是纠缠的,扩大了信道容量,因此这种双色超纠缠对于实现大容量长距离量子通讯具有重要参考价值。2.首次在实验上实现了窄带宽多光子GHZ态的制备。特点如下:首先在单个原子系综复用多个自发四波混频过程节约了原子系综的数目,从而简化了实验装置;其次,产生的四光子GHZ态带宽能与原子带宽匹配,因而可以与原子相互耦合,有利于研究基于光与原子相互作用的量子信息处理过程。3.首次实现了多光子NOON态的量子存储。通过拉曼存储协议,利用原子系综作为存储器,我们成功地存储了双光子NOON态,建立了双光子NOON态与原子存储器的接口链接。这项工作对存储多光子态具有重要的参考价值。4.首次在光与原子混合系统中演示了惠勒延迟实验。我们利用原子存储器巧妙地构建了时域上的马赫-曾德尔干涉仪,验证了惠勒延迟实验的基本思想。这对于人们在光与物质相互作用表象下理解互补性原理具有重要意义。