量子存储器是光子与物质系统之间的接口,允许存入和读出加载了信息的光子,是构建实用化量子网络的核心器件。稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器,较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一。基于量子存储器构建的量子中继器是克服光纤损耗的核心器件,是地基长程量子通信不可或缺的组成部分。在实用化的量子通信中,为了提高纠缠创建速率来提高量子通信的速率,必须使用多模式的量子存储器,并且多模式复用可以显著降低存储器的存储寿命要求。本文重点研究多模式固态量子存储。如果多模式复用可以存储N个光子,那么节点纠缠制备的速率就增加了 N倍,也就是通信速率增加了 N倍。这种多模式复用可以是时间,频谱或者空间等自由度。此外,多个自由度的多模式并行复用能以乘积的方式大量提高模式数。我们首先研究了在掺镨硅酸钇晶体(Pr3+:Y2SiO5)中基于原子频率梳-自旋波存储方案的单光子水平的轨道角动量存储,并证明了存储器的量子性。进一步的,我们实现了2个时间模式、2个频率模式和3个空间模式共三个自由度的多模式并行复用,实现了 2 × 2 × 3=12个模式的存储。该结果揭示了稀土掺杂晶体极高的模式复用潜力。在多个自由度的多模式并行复用的基础上,我们实现了基于量子存储器的量子模式变换和量子态实时任意操作。此外,我们基于2.5 MHz的腔增强非简并窄带参量光,研究了使用通讯波段1540 nm光子预报轨道角动量编码的606 nm单光子窄带参量光存储。其中606nm光子对准存储器Pr3+:Y2SiO5中Pr3+原子的吸收波长;1540 nm光子的波长为通讯波段适合光纤传输,在量子通信中适合做传输光子。我们观测到在8μs的原子频率梳存储方案中存储效率为12.6%,以及存储后的二阶关联为11.4,远大于经典极限,证明了窄带参量光源的量子性和存储器的量子性。在对606 nm光子加载了轨道角动量量子态后,我们观测到正交态的存储信号可见度为94%。这一系列研究成果未来有望在基于量子存储器的长程量子网络和量子计算等方面获得广泛的应用。