集成电路的最小尺寸已经达到10nm。随着经典计算机中单个比特尺寸越来越小，集成电路中单比特的尺度逐步接近单个原子的尺度，这时就会表现出量子特性，不再遵循经典物理的定律。科学家们基于量子力学效应提出了量子比特和基于量子比特的量子计算机。量子计算机用量子比特来存储信息和执行计算。许多物理系统都可以作为量子比特，例如单光子、超导环、量子点、单离子、核自旋、受控中性原子等。相比于其他物理系统，编码于受控单原子基态的量子比特不易受外界电场和磁场的干扰。更重要的是中性原子稳定、干净的基态使得量子比特有较长的退相干时间。而且光学泵浦、双光子拉曼过程、共振微波脉冲、共振荧光探测技术、里德堡原子长程相互作用等为操控中性原子量子比特实现量子逻辑门提供了强有力的技术手段。所以中性原子量子比特成为演示基本量子信息过程的重要实验平台。　　本论文的主要内容是基于单个中性原子的量子比特操控的实验研究，延长中性原子比特的退相干时间，并将受控单量子比特应用到基本物理问题的研究方面。主要工作概括如下:　　1).设计构建了两套全光纤磁光阱系统;　　2).利用强聚焦的1064nm的红失谐偶极阱实现了单个铯原子的俘获，优化了阱内原子的温度，利用释放再捕获法测量了阱中的原子温度;　　3).利用双光子拉曼光过程操控单个原子比特，制备了|6S1/2，F=3，mF=0>和|6S1/2，F=4，mF=0>任意的叠加态，测量了单量子比特的退相干时间为3.4ms;　　4).利用780nm激光构建了瓶子状的蓝失谐偶极阱并俘获了单个原子，利用微波场操控原子比特，测量了原子比特的退相干时间约为10ms;利用量子态层析技术测量了制备的量子态的保真度，利用量子过程层析技术测量了旋转门操作的保真度;对比了红移阱与蓝移阱的结果。　　5).在1.39G的量子化磁场下，利用|6S1/2F=3，mF=-1>和|6S1/2F=4，mF=1>间的跃迁频率对磁场波动不敏感，抑制由磁场噪声引起的均匀退相干机制，延长了均匀退相干时间，达到1s;　　6).利用在蓝失谐阱中受控的单原子构建了单原子Ramsey干涉仪，基于该单原子系统完成了玻尔互补原理的实验验证，分析讨论了干涉仪两臂不平衡损耗对波粒二象性的影响。