强耦合腔量子电动力学(QED)系统为研究原子和光子的确定性相互作用提供了良好的平台。基于原子和腔场的强耦合,人们在单量子操控及其与原子的相互作用方面取得了丰富的成果,例如可控单光子源、单量子水平的非线性效应、光子-光子、光子-原子以及原子-原子纠缠、原子运动轨迹的精密测量、量子存储、量子网络接口、逻辑门操作等。我们主要研究基于腔QED系统中的非线性效应引起的光学非互易(ONR)现象。在光子信息处理过程中,实现光信号传输路径的控制和对噪声单向传输的控制是非常关键的手段。光学非互易因其能够实现对光信号的路由功能以及有效抑制噪声反向传输带来的影响而变得非常重要。随着光子信息处理的快速发展,人们对光学非互易特别是无磁光学非互易现象进行了广泛的研究且取得了巨大进展。目前,利用经典的方法实现的对光场控制的ONR,已经很难满足片上光子信息处理对无磁和超低功耗的苛刻要求。本文将不对称的高精细度光学微腔与强耦合腔QED结合,利用系统显著的量子非线性效应,实现了少光子水平的光场的非互易传输,在平均12个原子的情况下,实现了反向光场>30 d B的阻塞率。该系统通过光纤腔可以实现基于芯片的光学二极管,为实现片基的超低功耗光二极管提供了一种途径。在连续变量的光子信息处理中有着巨大的应用潜力。更重要的是,通过将极化的原子与传统的强耦合腔QED相结合的方法,制备了光与物质杂化的腔极子,从本质上破坏了系统的时间反演对称性,在单光子水平上实现了隔离比大于30 d B的无磁光隔离器以及非互易的量子统计行为,揭示了非互易腔极子的量子本质,为探索光子学和量子网络应用中的非互易现象和多体物理中新的拓扑相提供了很大的潜力。本文工作主要分为以下几个部分:1.介绍强耦合腔量子电动力学的研究动机。腔QED发展的基本现状,基于强耦合腔QED系统,目前已经实现的量子光学中的重要研究进展。最后介绍本文研究的动机和结构安排。2.从J-C模型出发,介绍理想无耗散的单原子腔QED系统;运用海森堡运动方程,处理开放系统中单原子-腔耦合系统在弱激发时的结果。随后拓展到N个二能级原子与腔相互作用,引入平均场近似,利用麦克斯韦-布洛赫方程,讨论了稳态情况下,该系统的双稳方程及弱激发情况下透射率随失谐的变化。3.介绍实验室腔QED系统的各个子系统,包括真空系统、MOT系统的构造、冷原子转移方式、微尺度高精细度光学腔系统、频率链系统和数据采集系统。4.基于腔增强效应对光学偶极阱中原子在阱轴向和径向的振动频率的测量。通过常规的施加AM进行参量加热结合收集腔透射谱的方式,获得了径向和轴向的振动频率分别为2.76±0.01 k Hz和33.0±0.8 Hz。此外,通过用聚焦的共振光将原子团劈裂的方法,我们实现了对原子在轴向振动频率的直接观测,并得到了原子振动频率的二倍频,其大小为73.5±0.6 Hz。5.基于少原子与非对称腔强耦合系统,实现了几个平均光子水平的非线性ONR。得益于系统显著的非线性,在入射光功率为p W量级,相应的腔内光子数在几个光子下观察到了显著的ONR现象,并且获得了对反向传输光场大于15 d B的阻塞率。通过控制原子数来调节ONR的工作窗口,实现最大可达30 d B的阻塞率。与传统实现非线性ONR的系统相比,我们获得了工作功率最小且阻塞率最大的非线性ONR。6.在强耦合腔QED中通过制备非互易的准粒子即腔极子来实现光学非互易。通过操控原子的内态破坏系统的时间反演对称性,腔极子在无外场偏置的情况下表现出非互易光子辐射行为。实现了超过30 d B光学隔离比的无磁光隔离器和非互易的量子统计行为。