为了实现远距离量子纠缠,可行的方式是利用高性能的量子中继器,其核心是高效率的光子接口,以及量子存储等能力。基于多普勒冷却技术制备的冷原子系综作为一种常用的量子存储介质,本身可以通过集体增强效应产生光子接口,同时能够利用钟态能级编码等手段实现量子态的长寿命存储。近年来,冷原子量子存储器在存储寿命和光子效率等方面实现了较大的提升,并已经能够结合频率转换和光纤传输来演示远距离的纠缠建立。为了提供量子网络的基本资源,我们需要建立起高保真度的光和原子纠缠,这可以通过自发拉曼散射的方式来实现。然而,这种方式会有一定概率产生多个光子,通常需要保持较低的激发率,因此极大限制了纠缠产率。相对应的解决思路是利用确定性的体系,比如将冷原子系综束缚到微米尺度并激发到里德堡态,从而利用里德堡阻塞效应抑制其中的高阶事例,获得高品质的单原子的集体激发,即里德堡超原子。利用这种体系,我们能够以接近一的效率来实现确定性的纠缠制备。此外,里德堡相互作用还可以用于原子间的量子门操作,实现量子中继的纠缠交换等任务。由于有限的几何尺寸及原子密度,里德堡实验目前具有较低的单光子效率。单纯凭借增加原子密度可以获得一定程度的提升,但高密度会引起额外的退相干效应。本文在适当提升原子光学厚度的基础上,结合低精细度的光学腔来数倍增强光和原子耦合。我们对光子品质、高阶事例等因素进行了实验测量和刻画,结果表明能够满足后续高品质纠缠的产生。除此之外,我们还演示了原子态的确定性探测,即利用高效光子接口快速探测到若干个光子,并利用相互作用实现控制位原子对光子有无的开关,从而完成对目标态的测量。这种方案具有速度快和非破坏性等优势,能够在量子网络等应用中起到重要作用。借助于高效率的单光子接口,我们演示了利用单个里德堡超原子产生多光子纠缠态。通过原子内部多个能级的编码和相互作用,我们无需外部器件便可直接产生光子纠缠,其效率相对以往自发参量下转换等概率性体系呈现了更好的可扩展性,也优于目前量子点体系相关的实验结果。同时,我们系统研究了纠缠效率和纠缠保真度的降低趋势及限制因素。实验结果表明里德堡超原子具有产生大规模光子态的潜力,未来可以通过降低损耗和提高光学腔品质等手段进一步提升光子数,有望为基于单向量子中继的下一代量子中继奠定基础。除了多光子纠缠态的产生,我们还演示了里德堡超原子之间的纠缠建立。为此,我们以相同的标准构建了另一套系统。首先,通过对两个分离体系进行独立的操控,可以各自产生单光子时间先后模式和原子内态之间的纠缠。之后,将两边的光子利用光纤传输到中间节点进行干涉,可以根据探测到的双光子符合信号建立起两个里德堡超原子之间的预报型纠缠。我们进行了纠缠保真度和贝尔不等式的测量,证明了良好的纠缠品质。并且,其纠缠产率相比以往冷原子系综体系具有两个量级的提升,展现了确定性体系的效率优势。另一种方案是将纠缠编码到光子数态,通过在中间探测到单个光子可以实现原子间的纠缠建立。由于所需光子数的减少,单光子方案在远距离传输时具有更高的成功率,但代价是会引起保真度的降低,需要和预报概率之间进行取舍。由于实验中要求两边的激光相位保持稳定,我们利用电子学系统进行了快速的相位测量和反馈。目前的实验结果表明,若使用同样的光子接口效率,随着距离增加,单光子方案更加具有效率优势。本文的一系列工作表明里德堡超原子结合腔增强可以大幅提高纠缠产生的速率,而高效的原子态探测可以显著提高量子中继中纠缠连接等操作的成功率,为未来量子中继和量子网络方面的应用奠定基础。之后,我们可以进一步提升效率,以及实现更高的保真度,推动里德堡超原子的实用化进展。