量子计算机利用量子力学的态叠加和纠缠等基本特性进行计算和数据处理,能够克服经典计算机对量子建模、大数分解等问题的根本困难。迄今为止,能够用于实现量子计算的物理系统有若干候选者,包括俘获的离子、线性光学系统、超导电路、量子点、NV色心、中性原子等。由于中性原子不易受外界电磁场的影响,且原子基态相干性较好,是演示量子信息的重要系统。人们可以选择中性原子的基态超精细态Zeeman子能级编码量子比特的逻辑状态,还可以采用光学泵浦的方法实现量子比特的高效初始化,而量子逻辑门操作可以通过双光子Raman过程或者微波操控实现,态选择测量可以读出量子比特的状态,基本满足了容错量子计算的DiVincenzo判据。除此之外,中性原子极易扩展成阵列,为量子计算的大规模集成提供了一种可能。加之光学腔与原子阵列的相互作用可以提高原子内态的读取效率,而且可以间接地实现原子-原子间的纠缠,进而实现高效的双量子比特逻辑门操作,为演示量子信息若干基本过程提供了一个良好的实验平台。本文以基于中性原子的量子计算为远期目标,主要研究了微型光学偶极阱俘获的单个中性原子量子比特的相干操控,利用蓝失谐偶极阱和双光子跃迁的方法延长原子内态相干时间,并利用已掌握的单原子操控技术实现了分离变量系统中Wigner函数的测量。本论文完成的主要工作如下:1).分别构建了1064nm红失谐偶极阱和780nm蓝失谐偶极阱,实现了偶极阱中单原子的俘获和内态操控。研究表明在阱深和原子温度基本相同的情况下,蓝失谐偶极阱减小了激光噪声诱导的原子加热效应和光子散射率,使得原子寿命变长。另外蓝失谐偶极阱也减小了原子能级的光频移,从而可以提高原子内态相干时间,为基于原子的量子比特制备与操控提供良好的环境。2).提出了利用简并双光子跃迁消除偶极阱对铯原子基态超精细能级间的单光子跃迁导致的相对光频移,抑制单原子量子比特非均匀退相干的方法。实验上利用光学泵浦加态选择探测的方法实现了对微尺度光学阱中的单个铯原子|6S（?）→|7S（?）双光子跃迁光谱的精确测量,得到|7S（?）态的超精细分裂大小δ_hps,7S=2.18361±0.00128GHz,从而得出超精细磁偶极常数为A_hps,7S=δ_hps,7S?4=545.90±0.32MHz,测量结果和其他光学双泵浦的方法一致。该方法中双光子跃迁激发光功率比传统双光子跃迁要小得多,只需要μW量级。这种方法可以用于低功率探测光、低跃迁强度的光谱测量。3).基于我们对单原子的相干操控技术,首次测量了分离变量系统中单原子的Wigner函数。实验中分别测量了纯态和混合态的Wigner函数,结果表明量子态与环境耦合发生退相位的过程中,Wigner函数的负性会在量子态纯度为2/3时消失,与理论预言一致。原则上该方法可以适用于任意一个可以实现旋转操作的二能级系统的Wigner函数的测量。单原子Wigner函数的测量和表征,为我们深刻理解量子态在退相干环境中的演化和量子特性本身提供了一种新的途径。