量子力学的建立和发展深刻又永久的改变了 20世纪以来的科学进程。将量子力学的思想和方法引入经典计算机科学和信息科学后产生的两个新兴学科——量子计算和量子信息学,他们被量子力学原理赋予了无与伦比的优势:一些针对特定问题的量子算法使得处理在经典计算机中无法完成的复杂任务成为了可能;同时,量子态的不可克隆性保证了以单光子为信息传递载体的量子信息传递过程是完全保密的,这在任何经典通信技术中都无法实现。这些优势都使得这两个新兴学科越来越成为最值得关注的科学领域。量子网络是量子信息和量子计算的一个重要应用。它同时结合了量子计算和量子信息学原理,主要由量子节点、量子通道和量子中继器组成。其中量子节点用于本地化的生成、处理和存储信息,量子通道用于量子信息的传输,量子中继器用于实现长程纠缠。目前,有很多研究工作着眼于如何利用实验可行的物理平台搭建这三样基本组成部分。本文的主要研究目的是构建量子节点和搭建用于量子节点和长程量子通道之间互连的量子接口。我们利用腔量子电动力学(C-QED)的原理,结合集成光学微腔在稳定性和扩展性上的优势,致力于实现搭建集成光学微腔和单个冷原子构成的量子节点。为了实现量子接口,我们研究了基于氮化铝微腔的频率转换器,并讨论了如何实现从通信波段光子到原子跃迁频率的精确匹配。主要完成的工作如下:1.C-QED系统基础理论和实验研究基于光学腔与原子的C-QED系统是我们的研究核心内容,是构建基于集成光子线路和单个冷原子的量子节点的基础。我们首先搭建了最简单的光学腔——Fabry-Perot腔,并在其中放置热Rb原子系综,通过这样两个最简单的量子光学模型研究腔与原子相互作用的基本理论原理和实验技术。我们在这样的实验装置上完成了两个工作:(1)腔增强情况下的热原子系综电磁诱导透明;(2)基于原子非相干布居转移的高性能全光隔离器。在第一个工作中我们利用双镜驻波腔,参考先前的理论和实验工作,观测到了探测光与控制光同时与腔共振时的电磁诱导透明现象,并发现这种现象实际等效为非厄米的三波混频过程。我们建立了符合实验结果的理论模型对这个现象进行描述。在第二个实验中我们将腔改造为四镜行波腔,利用原子非相干布居转移和圆偏振光选择跃迁原理实现了隔离比高达51.5-2.5+6.5dB的全光隔离器。该全光隔离器具有参数稳定、带宽大、大工作范围、无本征噪声等优点,有很好的应用价值前景。2.87Rb冷原子系综和单个冷原子的陷俘和表征利用C-QED系统搭建量子节点的关键步骤是实现光学腔与腔内单原子的耦合。为此我们需要首先实现冷原子系综和单个原子的捕获。基于激光冷却的原理,我们成功搭建了磁光阱,实现了 87Rb原子系综的捕获。利用吸收成像法,我们表征得到原子团的温度大约为42.3μK。基于偶极力阱的原理,我们用一束大失谐红外光和高数值孔径物镜搭建了远失谐红外偶极阱,并将单个冷87Rb原子俘获在阱中。实验探测得到了单原子荧光台阶信号,并利用组合泊松分布对单原子的荧光信号做了直方分析,最后测量了单原子荧光信号的二阶关联函数。这些实验结果进一步证实了阱中原子的捕获,并证明了由于碰撞阻塞效应,强聚焦的远失谐红外偶极阱只能捕获0个或1个原子。3.集成氮化铝微环腔频率转换器的调谐利用氮化铝微环腔频率转换器可以通过和频过程或差频过程实现量子节点中输出的光子和通信波段光子的相互转换。在本文中我们基于特殊的和频过程——二倍频过程,研究了氮化铝微环腔频率转换器的工作频率调节,使其可以实现从1560nm通信波段光子到Rb原子D2跃迁线的精确波长转换。我们使用了辅助光调节和热台调节两种方法,测量了两种方法的调节效果,同时建立了理论模型分析调节过程当中腔的动力学演化,并对不同方法的优势和劣势加以比较分析。4.热原子-集成波导封装样品的制备和测量由于直接在集成光芯片表面研究单个冷原子与微纳光学结构的相互作用存在实验困难,因此我们首先制备了热原子-集成波导封装样品,从理论与实验两个方面研究热原子与集成波导倏逝场的相互作用。针对集成波导倏逝场的特点,我们测量了波导上高速飞行的热原子的饱和吸收效应,并研究了强磁场条件下由于波导倏逝场偏振特性引发的原子手性吸收现象。这些结果为将来研究集成光学芯片上的量子节点构建奠定了基础。